CN110303236A - 一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法 - Google Patents

一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法 Download PDF

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张隆平
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Abstract

本发明公开了一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接的方法，主要包括以下步骤：焊前清洗、过渡层制备、热等静压扩散连接；其中，过渡层制备采用冷喷涂处理的方式。本发明提供的连接方法可实现弧面、U型面等异形曲面试样热等静压扩散连接，可实现多层过渡层的制备，其结合性能良好，连接强度高，与磁控溅射相比更简便、更实用、更具经济性。此外，采用本发明所述的热等静压扩散连接方法，无气孔等缺陷、可批量生产、生产效率高、良品率高。

Description

一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法
技术领域
本发明涉及异种金属固相焊接领域，尤其涉及一种用于钨或钨合金与钢的热等静压扩散连接方法。
背景技术
钨或钨合金具有密度高、强度高、延性好、韧性好、热膨胀系数小等一系列优异性能，广泛应用于航空航天工业中陀螺仪转子材料，飞机上的惯性旋转元件，兵器工业中的聚能弹药型罩、子母弹、穿甲弹，仪表及发动机上的平衡配重元件和核工业反应堆中的屏蔽材料等。
钨或钨合金与钢两种材料连接到一起制备成复合构件是钨或钨合金实际工程应用的重要手段。热等静压扩散连接具有无气孔、宏观裂纹等凝固缺陷、接头变形量小、结合性能好等优势，成为钨或钨合金与钢连接最为合适的方法。
由于钨/钢热物理性能(熔点、热导率、热膨胀系数等)差异大，直接连接接头极易产生脆性的金属间化合物及碳化物，且接头残余应力大，导致焊后接头力学性能较低，通常采用添加过渡层的方式来解决上述技术难题。
目前，钨/钢连接的过渡层制备方法主要采用箔片法和粉末涂覆法，但该方法仅可用于平板试样焊接，用于异形曲面构件时存在过渡层易脱落、厚度不均匀等问题，严重影响焊接接头强度。
文献“扩散焊接钨/钒/钢体系的界面结构及力学性能,马运柱,王艳艳,刘文胜等.焊接学报,2013,34(12):17-20.”公开了一种采用钒作为过渡层扩散连接钢/钨的方法，该方法采用0.5mm厚的钒箔片直接添加在钢和钨之间，焊后接头抗拉强度仅为75MPa，强度较低。
文献“以真空熔敷Cu-Ni-Fe涂层为先导的钨/铜扩散连接,杨宗辉,沈以赴,李晓泉.稀有金属与硬质合金,2012,40(6):60-63.”公开了一种真空熔敷Cu-Ni-Fe混合粉末作为过渡层扩散连接钨/铜的方法，但由于结合端面发生塑性流变，焊后接头存在不连续微孔，且过渡层均匀性较差。
申请公开号为CN 101392363A——一种低温真空扩散连接钛合金的方法，涉及一种低温真空扩散连接钛合金的方法，其采用磁控溅射方法在TC4或TA15钛合金表面沉积钛基薄膜，该方法获得薄膜与母材基体结合良好，但磁控溅射方法沉积薄膜速度慢，工作效率低，工件极易氧化。
申请公开号CN 109604802A——钨或钨合金与钢的连接方法、型材的连接方法以及型材接头，公开了一种在钨或钨合金表面采用磁控溅射装置制备过渡层的方法，从而实现弧面、U型面等异形曲面试样热等静压扩散连接。但磁控溅射方法沉积薄膜速度慢，工艺过程复杂，需在真空环境下进行制备且对工件表面要求高，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其实现异形曲面试样的热等静压扩散连接，结合性能好，连接强度高，工艺简单、成本低。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，包括焊前处理、过渡层制备、热等静压扩散连接，其特征在于：所述过渡层制备包括先对待喷涂的工件作喷砂处理，喷砂后的工件在冷喷涂系统中进行冷喷涂处理以及冷喷涂后进行工件冷却取样；
所述冷喷涂处理具体为将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统的工件架上，冷喷涂角度为60-120°，喷涂距离为15～45mm；所述冷喷涂系统中喷涂粉末粒径为200目～500目，纯度不低于99.95％，喷涂过程中粉末加热温度为200～650℃。
进一步，所述喷砂处理具体为采用40目～80目粒径的棕刚玉或白刚玉作为喷砂材料，喷砂角度为60～90°，压缩气体压力为0.6～0.8MPa。
进一步，所述喷砂处理过程中将工件温度保持在60-100℃。
进一步，所述冷喷涂处理过程中冷喷涂系统采用工作气体，所述工作气体为氮气和氦气的混合气体、其体积比为1～4:1～3，压力为0.8～4.5MPa。
现有技术中，一般选择氮气、氦气等惰性气体作为保护气体，使工件以及涂层不与空气接触、从而不会发生氧化还原反应；而本发明中，因为粉末从喷嘴中喷出后直接接触的就是大气，所以此处并不需要任何保护气体；本发明采用氮气和氦气作为工作气体。
进一步，所述过渡层的喷涂粉末材料可选用Ni、Ti与Cu中的任一种；所述冷喷涂处理过程中根据工件形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离不变。
进一步，所述过渡层材料选用Ni时，喷涂角度为60-120°，喷涂距离为15-35mm，工作气体为氮气和氦气的混合气体、其体积比为1～4:1～3，工作气体压力为0.8-3MPa，粉末加热温度为250～350℃；所述过渡层材料选用Ti时，喷涂角度为60-120°，喷涂距离为25-45mm，工作气体为氮气和氦气的混合气体、其体积比为1～4:1～3，工作气体压力为2.5-4.5MPa，粉末加热温度为500～650℃；所述过渡层材料选用Cu时，喷涂角度为60-120°，喷涂距离为15-35mm，工作气体为氮气和氦气的混合气体、其体积比为1～4:1～3，工作气体压力为1-4MPa，粉末加热温度为200～500℃。
进一步，所述冷喷涂后工件冷却温度为20～60℃。
进一步，所述焊前清洗具体为采用80#、200#、400#和800#砂纸对高强度钢和钨或钨合金的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗10～15min，再烘干，将清洗后的高强度钢与钨或钨合金密封保存。
进一步，所述热等静压扩散连接具体为将钢工件与制备过渡层后的钨或钨合金工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为8×10-3Pa～5×10-3Pa后，以10～30℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至900～1100℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加8～20MPa的焊接压力并保持1～3h，加压中保持设备真空度在8×10-3Pa～5×10-3Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为900～1100℃；扩散连接完成后，以10～40℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至20～40℃后，取出焊接工件。
一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于，它的具体步骤如下：
a、焊前清洗：
采用80#、200#、400#和800#砂纸对高强度钢和钨或钨合金的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗10～15min，再烘干，将清洗后的高强度钢与钨或钨合金密封保存；
b、过渡层制备：
b-1、对待喷涂的钨或钨合金工件作喷砂处理：
采用40目～80目粒径的棕刚玉或白刚玉作为喷砂材料，喷砂角度为60～90°，压缩气体压力为0.6～0.8MPa；
喷砂处理过程中将工件温度保持在60-100℃；
b-2、喷砂后的工件进行冷喷涂处理：
将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统工件架上，冷喷涂角度为60-120°，喷涂距离为15～45mm；
冷喷涂系统中喷涂粉末粒径为200目～500目，纯度不低于99.95％，喷涂过程中粉末加热温度为200～650℃；
冷喷涂处理过程中采用氮气和氦气的混合气体作为工作气体、其体积比为1～4:1～3，压力为0.8～4.5MPa；
过渡层材料可选用Ni、Ti与Cu中的任一种；冷喷涂处理过程中根据工件形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离不变；
b-3、冷喷涂后工件冷却、取样：冷喷涂后待工件冷却至20～60℃，取下样品。
c、热等静压扩散连接：
将钢工件与制备过渡层后的钨或钨合金工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为8×10-3Pa～5×10-3Pa后，以10～30℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至900～1100℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加8～20MPa的焊接压力并保持1～3h，加压中保持设备真空度在8×10-3Pa～5×10-3Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为900～1100℃；扩散连接完成后，以10～40℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至20～40℃后，取出焊接工件。
在过渡层制备过程中，各工艺参数以及步骤处理不当会影响工件与涂层之间的附着力，进而出现涂层脱落的现象，从而影响后续热等静压扩散连接，导致焊后接头综合力学性能较差；同时，还会降低涂层的沉积率，沉积率为单层涂层上可沉积的过渡层粉末数量，若沉积率低，则单层涂层上的粉末数量少，一定数量的粉末沉积后层数分布更多，由于本发明适用于异形曲面构件、且异形曲面构件表面为不连续表面，沉积率低导致均匀性差；另外，还容易造成涂层孔隙率高，涂层孔隙率为涂层粒子与粒子之间的间隙，由于本发明适用于异形曲面构件，所以若涂层孔隙率高，则会导致异形曲面构件不同表面的孔隙率不同，进而导致不同表面单位面积的过渡层粉末数量不同。
在进行异形曲面构件过渡层制备过程中，若沉积率低、孔隙率高，则异形曲面构件不连续单位面积附着的过渡层粉末含量不同，导致所制得的过渡层不均匀，从而影响后续热等静压扩散连接、导致焊后接头综合力学性能较差，此为目前制备异形曲面构件过渡层所面临的主要难题。通过本发明各工艺步骤的组合，尤其是采用喷砂步骤、喷砂过程中对工件保温以及喷涂过程中采用工作气体，达到对工件表面进行一定程度上活化的目的，再配合其他步骤以及合适的工艺参数，进而提高沉积率、降低孔隙率，使得冷喷涂制备出的过渡层均匀性好、粘结强度高，从而使得焊后接头抗拉强度高。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述的热等静压扩散连接方法中，由于喷涂粉末粒子不会发生相变，粒子晶粒不易长大，所以不容易发生氧化现象、且不会对基体材料产生不良热影响；同时，采用本发明的冷喷涂方法，可实现弧面、U型面等异形曲面试样热等静压扩散连接，使得喷涂过程中工件表面的粗糙度控制在适当范围内，喷涂的粒子变形充分、均匀分布在喷砂后的工件表面，涂层孔隙率较低、沉积率较高，从而提高后续焊接的效率，增强焊后接头力学性能，从而提高产品的成品率。
同时，采用本发明所述的连接方法，可批量生产，生产效率高，也实现单层、复合多层的过渡层制备，其结合性能良好、焊后接头抗拉强度高。
附图说明
图1为本发明实施例中钨或钨合金与高强度钢连接后的观测图。
图2为本发明实施例中钢和钨热等静压扩散连接单过渡层结构示意图。
图3为本发明实施例中钢和钨热等静压扩散连接复合过渡层结构示意图。
图4为本发明实施例中钢和钨异形曲面结构热等静压扩散连接结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，用试样尺寸均为Φ60mm×20mm的35CrMnSiA钢与91钨镍铁合金进行连接，其特征在于，它的具体步骤如下：
a、焊前清洗：
采用80#、200#、400#和800#砂纸对35CrMnSiA钢和91钨镍铁合金的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗10min，再烘干，将清洗后的35CrMnSiA钢与91钨镍铁合金密封保存；
b、过渡层制备：
b-1、对待喷涂的纯钨作喷砂处理：
采用80目粒径的棕刚玉作为喷砂材料，喷砂角度为60°，压缩气体压力为0.8MPa；
喷砂处理过程中将工件温度保持在60℃；
b-2、喷砂后的工件进行冷喷涂处理：
将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统工件架上，冷喷涂角度为90°，喷涂距离为20mm；
冷喷涂系统中Ni粉粒径为300目，纯度为99.99％，喷涂过程中粉末加热温度为300℃；
冷喷涂处理过程中采用采用氮气和氦气的混合气体作为工作气体、其体积比为1:2，压力为1.5MPa；
冷喷涂处理过程中根据91钨镍铁合金的形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离20mm不变；
b-3、冷喷涂后工件冷却、取样：冷喷涂后待工件冷却至30℃，取下样品。
c、热等静压扩散连接：
将35CrMnSiA钢试样与制备Ni过渡层后的91钨镍铁合金工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为5×10-3后，以15℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至1000℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加12MPa的焊接压力并保持2h，加压中保持设备真空度在5×10-3Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为1000℃；扩散连接完成后，以20℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至30℃后，取出焊接工件。
实施例2
一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，采用试样尺寸均为Φ30mm×10mm的60Si2Mn钢与99.9％的纯钨进行连接，其特征在于，它的具体步骤如下：
a、焊前清洗：
采用80#、200#、400#和800#砂纸对60Si2Mn钢与99.9％的纯钨的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗15min，再烘干，将清洗后的60Si2Mn钢与99.9％的纯钨密封保存；
b、过渡层制备：
b-1、对待喷涂的99.9％的纯钨作喷砂处理：
采用60目粒径的白刚玉作为喷砂材料，喷砂角度为60°，压缩气体压力为0.8MPa；
喷砂处理过程中将工件温度保持在75℃；
b-2、喷砂后的工件进行冷喷涂处理：
将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统工件架上，冷喷涂角度为100°，喷涂距离为25mm；
冷喷涂系统中Cu粉粒径为400目，纯度为99.99％，喷涂过程中粉末加热温度为400℃；
冷喷涂处理过程中采用氮气和氦气的混合气体作为工作气体、其体积比为3:1，压力为1.5MPa；
冷喷涂处理过程中根据99.9％的纯钨形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离25mm不变；
b-3、冷喷涂后工件冷却、取样：冷喷涂后待工件冷却至30℃，取下样品。
c、热等静压扩散连接：
将60Si2Mn钢与制备Cu过渡层后的99.9％的纯钨工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为6×10-3Pa后，以15℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至1050℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加10MPa的焊接压力并保持2h，加压中保持设备真空度在6×10-3Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为1050℃；扩散连接完成后，以15℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至30℃后，取出焊接工件。
实施例3
一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，用试样尺寸如图4所示的异形曲面结构的30CrMnSiNi2A钢和99.9％纯钨进行连接，其特征在于，它的具体步骤如下：
a、焊前清洗：
采用80#、200#、400#和800#砂纸对30CrMnSiNi2A钢和99.9％纯钨的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗15min，再烘干，将清洗后的30CrMnSiNi2A钢和99.9％纯钨密封保存；
b、过渡层制备：
b-1、对待喷涂的99.9％纯钨作喷砂处理：
采用40目粒径的棕刚玉作为喷砂材料，喷砂角度为75°，压缩气体压力为0.6MPa；
喷砂处理过程中将工件温度保持在100℃；
b-2、喷砂后的工件进行冷喷涂处理：
将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统工件架上，冷喷涂角度为70°，喷涂距离为35mm；
冷喷涂系统中Ti粉粒径为500目，纯度为99.99％，喷涂过程中粉末加热温度为500℃；
冷喷涂处理过程中采用氮气和氦气的混合气体作为工作气体、其体积比为1：1，压力为3MPa；
冷喷涂处理过程中根据99.9％纯钨的形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离35mm不变；
b-3、冷喷涂后工件冷却、取样：冷喷涂后待工件冷却至20℃，取下样品。
c、热等静压扩散连接：
将30CrMnSiNi2A钢和制备Ti过渡层后的99.9％纯钨工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为7×10-3Pa后，以14℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至1100℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加10MPa的焊接压力并保持1.5h，加压中保持设备真空度在7×10-3Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为1100℃；扩散连接完成后，以14℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至20℃后，取出焊接工件。
图1为本发明实施例1中所制得的采用Ni过渡层的35CrMnSiA钢和91钨镍铁合金热等静压扩散连接形貌，由图1中可以看出，制备出的过渡层结构均匀、致密、完整，确保了35CrMnSiA钢和91钨镍铁合金的焊接良好性。
同时，由图3所示，本发明提供的方法能实现多层过渡层的制备，其每层材料可以相同、可以不同，每层的厚度可以在0.05μm～30μm之间；如图4所示，本发明可实现弧面、U型面等异形曲面试样热等静压扩散连接，结合性能良好，连接强度高，抗拉强度达到250MPa以上，采用GB/T 228.1-2010提供的方法检测实施例3所制得的型材的抗拉强度，强度为268.9MPa。

Claims (7)

1.一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，包括焊前处理、过渡层制备、热等静压扩散连接，其特征在于：所述过渡层制备包括先对待喷涂的工件作喷砂处理，喷砂后的工件在冷喷涂系统中进行冷喷涂处理以及冷喷涂后进行工件冷却取样；
所述冷喷涂处理具体为将喷砂后的工件放置在冷喷涂系统的工件架上，冷喷涂角度为60-120°，喷涂距离为15~45mm；所述冷喷涂系统中喷涂粉末粒径为200目~500目，纯度不低于99.95%，喷涂过程中粉末加热温度为200~650℃。
2.根据权利要求1所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述喷砂处理过程中将工件温度保持在60-100℃。
3.根据权利要求2所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述冷喷涂处理过程中冷喷涂系统采用工作气体，所述工作气体为氮气和氦气的混合气体、其体积比为1~4:1~3，压力为0.8~4.5MPa。
4.根据权利要求3所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述过渡层的喷涂粉末材料可选用Ni、Ti与Cu中的任一种；所述冷喷涂处理过程中根据工件形状通过机械加工出对应的夹持工装，喷涂过程中保持喷涂距离不变。
5.根据权利要求4所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述冷喷涂后工件冷却温度为20~60℃。
6.根据权利要求5所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述焊前清洗具体为采用80#、200#、400#和800#砂纸对高强度钢和钨或钨合金的待连接表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗10~15min，再烘干，将清洗后的高强度钢与钨或钨合金密封保存。
7.根据权利要求6所述的一种用于钨或钨合金与高强度钢的热等静压扩散连接方法，其特征在于：所述热等静压扩散连接具体为将钢工件与制备过渡层后的钨或钨合金工件组合放入热等静压扩散连接设备工作台上；对热等静压扩散连接设备炉腔抽真空至真空度为8×Pa~5×Pa后，以10~30℃/min的升温速率使热等静压扩散连接设备炉腔温度升至900~1100℃，通过热等静压扩散连接设备对连接试样施加8~20MPa的焊接压力并保持1~3h，加压中保持设备真空度在8×Pa~5×Pa以下，并保持热等静压扩散连接设备炉腔温度为900~1100℃；扩散连接完成后，以10~40℃/min的降温速率使热等静压扩散连接设备炉腔冷却，待冷却至20~40℃后，取出焊接工件。
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