CN109048030B - 一种tzm与石墨异种材料的sps扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法,是以Ti箔作为活性中间层,通过放电等离子烧结技术对TZM合金与石墨在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接,获得TZM合金与石墨的连接件。通过本发明的焊接方法可得到结合强度高、散热性能好、抗热冲击性好的TZM/石墨异种材料连接件,接头室温剪切强度可达49.0MPa。

Description

一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法
技术领域
本发明涉及一种异种材料的焊接方法,具体涉及一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法。
背景技术
TZM合金是在钼(Mo)中加入微量的Ti和Zr,从而改善材料高温性能的一类钼合金。在Ti与Zr的作用下,钼元素得到强化。在合金内,产生Mo-Ti固溶体和弥散的质点,在此过程中,钼基体得到了Mo-Ti固溶体的固溶强化和TiC质点的弥散强化。TZM合金具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能良好等特点,从而在很多领域得以广泛应用。
石墨由于其特殊结构,而具有如下特殊性质:(1)耐高温性:石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃,即使经超高温电弧灼烧,重量的损失很小,热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强,在2000℃时,石墨强度提高一倍。(2)导热性:导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低,甚至在极高的温度下,石墨成绝热体。(3)化学稳定性:石墨在常温下有良好的化学稳定性,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。(4)抗热震性:石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏,温度突变时,石墨的体积变化不大,不会产生裂纹。
石墨较TZM合金的熔点更高、导热性更好,但强度较低,在现代工业中常常需要将两者接合起来使用,如大功率CT机用靶材、核聚变反应堆的传热部件等。
发明内容
本发明针对现有TZM合金与石墨连接技术的不足之处,旨在提供一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法。本发明将SPS技术应用于难熔合金的固态扩散连接,通过加入钛箔作为中间过渡层,以降低焊接温度、避免母材再结晶,并在焊缝中通过原子互扩散形成完全固溶体,进而提高焊接接头的力学性能。
本发明TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法,是以钛箔作为中间过渡层,通过SPS技术对TZM与石墨异种材料进行固相扩散焊接,从而获得TZM与石墨异种材料的连接件。具体包括如下步骤:
步骤1:取待焊接的TZM合金和石墨,对TZM合金和石墨的待焊接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥;
步骤2:选用厚度在200μm、纯度≥99.0%的钛箔作为中间过渡层,对钛箔进行酸洗、超声清洗并烘干;
步骤3:取石墨模具,所述石墨模具包括上下压头及石墨阴模;将处理后的石墨、钛箔以及TZM合金自下而上依次放入石墨阴模中,然后用上压头和下压头压紧,同时使钛箔位于石墨阴模高度的正中间位置;
步骤4:将步骤3获得的装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM与石墨异种材料进行扩散焊接。
步骤1中,TZM合金依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸进行预磨抛光,石墨直接进行抛光,而后在酒精中超声清洗,使处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
步骤1中,所述石墨的密度≥1.86g/cm3,抗折强度≥59.0MPa。
步骤1中,所述TZM合金为钼基高温合金,约含0.50%钛、0.08%锆、0.02%碳。
步骤2中,所述酸洗是使用体积浓度为5%的稀盐酸对钛箔浸泡10分钟,所述超声清洗是在酒精中进行。
步骤4中,焊接工艺参数设置如下:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度并保温30min;
连接温度:1400-1500℃;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种难熔合金的连接件。
上述焊接工艺条件是基于单变量的科学实验设计,以及大量实验摸索而获得的,在此条件下,产品的综合性能最优。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
1、本发明得到的TZM/石墨异种材料连接件,具有结合强度高、散热性能好、抗热冲击性好、焊接效率高等优点。
2、本发明采用SPS扩散焊接技术,具有工艺流程简单、工艺参数易控制、质量稳定、可操作性强、连接温度低、能耗低的特点,从而降低了生产周期和成本。
3、本发明探索了TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接工艺,当轴向压力、加热速率、连接温度、保温时间和降温速率分别优选为30MPa、30-100℃/min(先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至1350℃,以70℃/min的升温速率升温至1420℃,最后以30℃/min的升温速率升温至1450℃)、1450℃、30min、降温速率为10-20℃/min(1450℃降至1000℃的区间降温速率为10℃/min,1000℃降至600℃的区间降温速率为20℃/min)时,更能充分发挥该焊接工艺的优势。
具体实施方式
如下通过实施例对本发明作进一步说明,但本发明的实施方式不仅限于此。
下述实施例所用放电等离子烧结炉为日本Sinter Land inc公司生产的LABOX-350放电等离子烧结系统,其电流类型为直流脉冲电流,脉冲序列为40:7;所用石墨模具的内径为Φ11mm。
下述实施例中所用TZM合金为锻造态,石墨为高强石墨:TZM合金的成分为0.4~0.6wt.%的Ti、0.07~0.12wt.%的Zr和0.01~0.04wt.%的C,其余为Mo(不计杂质含量);石墨含碳量大于99.99%。
实施例1:
本实施例中TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接按如下步骤进行:
1、依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸对TZM合金的待焊面进行预磨,对石墨和预磨后的TZM合金进行抛光,而后置于酒精内进行超声清洗;处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
2、将钛箔至于体积浓度为5%的稀盐酸中酸洗10min,随后置于酒精中超声清洗,最后烘干备用。
3、将处理好的石墨、钛箔和TZM合金自下而上置于石墨阴模中,而后用上下压头压紧,同时使钛箔处在阴模高度的正中间位置。
4、将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM和石墨异种材料进行扩散焊接,焊接工艺为:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度;
连接温度:1400℃;
保温时间:30min;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种材料的连接件。经测试,接头的室温剪切强度为43.0MPa。
实施例2:
本实施例中TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接按如下步骤进行:
1、依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸对TZM合金的待焊面进行预磨,对石墨和预磨后的TZM合金进行抛光,而后置于酒精内进行超声清洗;处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
2、将钛箔至于体积浓度为5%的稀盐酸中酸洗10min,随后置于酒精中超声清洗,最后烘干备用。
3、将处理好的石墨、钛箔和TZM合金自下而上置于石墨阴模中,而后用上下压头压紧,同时使钛箔处在阴模高度的正中间位置。
4、将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM和石墨异种材料进行扩散焊接,焊接工艺为:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度;
连接温度:1425℃;
保温时间:30min;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种材料的连接件。经测试,接头的室温剪切强度为40.0MPa。
实施例3:
本实施例中TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接按如下步骤进行:
1、依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸对TZM合金的待焊面进行预磨,对石墨和预磨后的TZM合金进行抛光,而后置于酒精内进行超声清洗;处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
2、将钛箔至于体积浓度为5%的稀盐酸中酸洗10min,随后置于酒精中超声清洗,最后烘干备用。
3、将处理好的石墨、钛箔和TZM合金自下而上置于石墨阴模中,而后用上下压头压紧,同时使钛箔处在阴模高度的正中间位置。
4、将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM和石墨异种材料进行扩散焊接,焊接工艺为:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度;
连接温度:1450℃;
保温时间:30min;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种材料的连接件。经测试,接头的室温剪切强度为49.0MPa。
实施例4:
本实施例中TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接按如下步骤进行:
1、依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸对TZM合金的待焊面进行预磨,对石墨和预磨后的TZM合金进行抛光,而后置于酒精内进行超声清洗;处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
2、将钛箔至于体积浓度为5%的稀盐酸中酸洗10min,随后置于酒精中超声清洗,最后烘干备用。
3、将处理好的石墨、钛箔和TZM合金自下而上置于石墨阴模中,而后用上下压头压紧,同时使钛箔处在阴模高度的正中间位置。
4、将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM和石墨异种材料进行扩散焊接,焊接工艺为:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度;
连接温度:1475℃;
保温时间:30min;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种难熔合金的连接件。经测试,接头的室温剪切强度为37.0MPa。
实施例5:
本实施例中TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接按如下步骤进行:
1、依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸对TZM合金的待焊面进行预磨,对石墨和预磨后的TZM合金进行抛光,而后置于酒精内进行超声清洗;处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
2、将钛箔至于体积浓度为5%的稀盐酸中酸洗10min,随后置于酒精中超声清洗,最后烘干备用。
3、将处理好的石墨、钛箔和TZM合金自下而上置于石墨阴模中,而后用上下压头压紧,同时使钛箔处在阴模高度的正中间位置。
4、将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM和石墨异种材料进行扩散焊接,焊接工艺为:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至低于最终温度100℃,以70℃/min的升温速率升温至低于最终温度30℃,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度;
连接温度:1500℃;
保温时间:30min;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种难熔合金的连接件。经测试,接头的室温剪切强度为35.0MPa。

Claims (4)

1.一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法,其特征在于:是以钛箔作为中间过渡层,通过SPS技术对TZM与石墨异种材料进行固相扩散焊接,从而获得TZM与石墨异种材料的连接件;具体包括如下步骤:
步骤1:取待焊接的TZM合金和石墨,对TZM合金和石墨的待焊接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥;
步骤2:选用厚度在200μm、纯度≥99.0 %的钛箔作为中间过渡层,对钛箔进行酸洗、超声清洗并烘干;
步骤3:取石墨模具,所述石墨模具包括上下压头及石墨阴模;将处理后的石墨、钛箔以及TZM合金自下而上依次放入石墨阴模中,然后用上压头和下压头压紧,同时使钛箔位于石墨阴模高度的正中间位置;
步骤4:将步骤3获得的装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中,抽真空至低于10Pa,然后通入直流脉冲电流,对TZM与石墨异种材料进行扩散焊接;
步骤4中,焊接工艺参数设置如下:
轴向压力:30MPa;
升温速率:先以100℃/min的升温速率从室温升温至600℃,再以100℃/min的升温速率升温至比最终温度低100℃的温度,以70℃/min的升温速率升温至比最终温度低30℃的温度,最后以30℃/min的升温速率升温至连接温度并保温30min;
连接温度:1400-1500℃;
降温速率:从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为10℃/min,从1000℃降至600℃的区间的降温速率为20℃/min,从600℃至室温区间随炉冷却;待冷却后即获得TZM与石墨异种材料的连接件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
步骤1中,TZM合金依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸进行预磨抛光,石墨直接进行抛光,而后在酒精中超声清洗,使处理好的TZM合金与石墨的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
步骤1中,所述石墨的密度≥1.86g/cm3,抗折强度≥59.0 MPa。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
步骤2中,所述酸洗是使用体积浓度为5%的稀盐酸对钛箔浸泡10分钟,所述超声清洗是在酒精中进行。
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