CN110369820B - 一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用Ni‑Cr‑W‑B‑Si‑Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,过程为:1)对待焊Hastelloy N合金进行表面处理;2)将Ni粉、Cr粉、W粉、B粉、Si粉和Fe粉研磨混合后加入到粘结剂中并搅拌均匀,得到钎料糊状物;3)取两块步骤1)表面处理后的Hastelloy N合金,将步骤2)所得钎料糊状物均匀涂覆在第一块Hastelloy N合金的待焊面上形成涂覆层;第一块Hastelloy N合金的待焊面上的涂覆层与第二块Hastelloy N合金的待焊面之间用胶水粘结固定,得到被焊工件;4)步骤3)所得被焊工件放入真空钎焊炉内进行加热活化处理,随后降温冷却,完成Hastelloy N合金的钎焊。本发明的钎焊方法具有可操作性强、不破坏Hastelloy N合金母材原有结构等优点,获得钎焊接头的剪切强度可高达589MPa,适用于高温环境使用。
Description
技术领域
本发明属于合金焊接技术领域,具体涉及一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法。
背景技术
熔盐堆作为第四代核反应堆六种候选堆型之一,具有核燃料可持续利用、高的热转化效率、良好的安全性等优点,受到广泛关注。
Hastelloy N合金是一种固溶强化型镍基高温合金,具有优异的高温力学性能、抗氧化性、耐腐蚀性以及耐辐照性能。基于此,Hastelloy N合金常被用于制造熔盐堆回路管道、堆芯容器、换热器等。由于换热器中多为薄壁管板结构,采用熔焊技术会熔蚀薄管板,破坏管板结构的完整性。解决换热器中Hastelloy N合金管板与壳体之间的连接的问题至关重要。
钎焊是连接Hastelloy N合金的常见方法。钎焊技术具有可操作性强、生产投资费用少、不破坏母材原有结构等优点。目前,用于Hastelloy N合金之间连接的钎料有Ti和Au等,但所获得的接头不适用于高温环境。基于以上分析可知,设计一种新型钎料制备适用于高温环境的Hastelloy N合金接头具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题,本发明的目的在于提供一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法。
所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于包括以下步骤:
1)对待焊Hastelloy N合金进行表面处理,即对Hastelloy N合金的待焊面依次进行去除油污、打磨和抛光的处理;
2)羟乙基纤维素用水调成胶体状,得到粘结剂备用;将Ni粉、Cr粉、W粉、B粉、Si粉和Fe粉研磨混合,研磨后得到Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料;将所得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料加入到上述配制得到的粘结剂中并搅拌均匀,得到钎料糊状物;
3)取两块步骤1)表面处理后的Hastelloy N合金,将步骤2)所得钎料糊状物均匀涂覆在第一块Hastelloy N合金的待焊面上形成涂覆层;第一块Hastelloy N合金的待焊面上的涂覆层与第二块Hastelloy N合金的待焊面之间用胶水进行粘结固定,得到被焊工件;
4)将步骤3)所得被焊工件放入真空钎焊炉内进行加热活化处理,使被焊工件中的胶水和粘结剂充分挥发,且两块Hastelloy N合金的待焊面之间通过通过液化的钎料发生连接,随后降温冷却,最终完成Hastelloy N合金的钎焊。
所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤1)中,对待焊Hastelloy N合金进行表面处理的具体过程为:将待焊Hastelloy N合金置于丙酮中超声清洗以除去其表面的油污,随后将Hastelloy N合金从丙酮中取出并干燥,接着用砂纸打磨Hastelloy N合金的待焊面,最后采用金刚石抛光剂进行抛光处理。
所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤2)所得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料,是由以下重量分数的组分组成:Cr粉 8~12%,W粉 11-14%,B粉 1-4%,Si粉 2-4%,Fe粉 2-5%,余量为Ni粉。
所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤4)中,加热活化处理的过程为:首先升温至250~350℃并保温25~30 min,以使被焊工件中的胶水和羟乙基纤维素充分挥发,随后升温至950-1000℃并保温8-12min,最后升温至1120-1240℃并保温5~30min。
所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤4)中,降温冷却的过程为:先以6~8℃/min的速率降温至280~320℃,随后自然降温至室温。
相对于现有技术,本发明取得的有益效果是:
1)本发明应用钎焊技术获得高强度Hastelloy N合金接头,该方法具有可操作性强、生产投资费用少、不破坏Hastelloy N合金母材原有结构等优点,获得钎焊接头的剪切强度可高达589MPa,适用于高温环境使用。
2)本发明的钎料的主体元素与Hastelloy N合金母材的主要组成元素均为Ni,这有利于钎料对Hastelloy N合金母材表面形成良好润湿;Cr和W的特点是熔点高和抗氧化性好,钎料内添加这两种元素可以提高接头在高温下的抗氧化性能;B和Si可降低钎料的熔点,其中Si还具有诱导接头内硬质相Mo6Ni6C的形成。钎焊完成后,钎缝内形成以Ni基固溶体和Mo6Ni6C为主要反应相的组织,有利于提高两块Hastelloy N合金焊钎形成的接头的剪切强度。
3)本发明进行钎焊Hastelloy N合金时,首先向Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料中加入粘结剂并混合搅拌成糊状,随后涂覆在第一块Hastelloy N合金的待焊面上,第二块Hastelloy N合金的待焊面通过胶水和第一块Hastelloy N合金的待焊面上的涂覆层进行粘结,使得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料紧密置于两块Hastelloy N合金之间,进行加热活化处理时胶水和羟乙基纤维素首先受热挥发(其中羟乙基纤维素在205-210℃的时会发生分解),随后Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料受热液化,并很好的侵入到两块Hastelloy N合金的贴近界面处并发生反应,最后在两块Hastelloy N合金之间形成以Ni基固溶体和Mo6Ni6C为主要反应相的组织,两块Hastelloy N合金之间连接效果较好。
附图说明
图1为钎料设置于两块Hastelloy N合金之间的装配结构示意图;
图2为两块Hastelloy N合金界面之间形成的钎缝中心的组织结构的成分示意图;
图中:1-Hastelloy N合金,2- Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉末钎料,3-Ni基固溶体,4-Mo6Ni6C组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1:
采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉末在钎焊温度为1240 ℃下连接Hastelloy N合金与Hastelloy N合金,包括以下步骤:
1)对两块Hastelloy N合金进行表面处理,表面处理过程为:分别将两块Hastelloy N合金置于丙酮中超声清洗以除去其表面的油污,随后将Hastelloy N合金从丙酮中取出并干燥,接着依次采用180#、320#、600#、800#、1500#砂纸打磨Hastelloy N合金的待焊面,最后采用2.5 μm的金刚石抛光剂对Hastelloy N合金的待焊面进行抛光;
2)羟乙基纤维素用水调成胶体状,得到粘结剂备用;将Ni粉、Cr粉、W粉、B粉、Si粉和Fe粉研磨混合,研磨后得到Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料(所述Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料是由以下质量分数的组分组成:Cr粉10%,W粉 11%,B粉 1.5%,Si粉 3%,Fe粉2.5%,余量为Ni粉);将所得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料加入到上述配制得到的粘结剂中并搅拌均匀,得到钎料糊状物;
3)取两块步骤1)表面处理后的Hastelloy N合金,将步骤2)所得钎料糊状物均匀涂覆在第一块Hastelloy N合金的待焊面上形成涂覆层;第一块Hastelloy N合金的待焊面上的涂覆层与第二块Hastelloy N合金的待焊面之间用胶水进行粘结固定,得到被焊工件;对照图1为Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料2设于两块Hastelloy N合金1之间的装配结构示意图;
4)将步骤3)所得被焊工件放入真空钎焊炉内进行加热,将真空钎焊炉内温度以10℃/min的速率由室温加热至300 ℃,保温30 min,使胶水和粘结剂充分挥发;
5)接着真空钎焊炉内温度以10 ℃/min的速率由300 ℃加热至1000 ℃,保温10min,使整个试样受热均匀;
6)然后真空钎焊炉内温度以10 ℃/min的速率由1000 ℃加热至钎焊温度1240℃,保温10 min,使两块Hastelloy N合金的待焊面之间通过液化的钎料发生连接;
7)最后真空钎焊炉内温度以6 ℃/min左右的速率降至300 ℃,再自然降温至室温,最终完成Hastelloy N合金的钎焊。
实施例1采用的方法连接两块Hastelloy N合金,钎焊完成之后,两块Hastelloy N合金界面之间形成的钎缝中心的组织结构的成分示意图如图2所示(图2钎缝中心的组织结构的成分示意图,是由根据对钎缝中心在扫描电镜下背散射电子像图结果,进行示意描绘得到的组织结构示意图)。
钎焊完成之后,两块Hastelloy N合金之间形成了焊缝,从图2可以看出,钎焊完成后,钎缝中心形成以Ni基固溶体3为基底,在Ni基固溶体基底上形成中间相Ni6Mo6C组织4,这增加了钎焊接头的强度。
实施例2~4:
一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,方法步骤重复实施例1,不同之处在于:步骤6)中的钎焊温度1240℃分别替换为1120 ℃、1160 ℃和1200 ℃,最终完成Hastelloy N合金的钎焊。
对实施例1~4最终制备得到的Hastelloy N合金的钎焊接头于室温下做剪切强度的性能检测,剪切试验过程:首先将钎焊完成的Hastelloy N合金接头放入夹具中,然后采用MTS CMT4204型万能试验机向母材(母材即Hastelloy N合金块)上端施加均布载荷,并设定压头移动速率为0.5mm/min;最后通过公式:计算得到接头的剪切强度;结果如表1所示。
表1 不同钎焊温度下所获得Hastelloy N合金的钎焊接头的平均剪切强度
实施例5~7:
一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,方法步骤重复实施例1,不同之处在于:步骤6)中钎焊温度1240℃下进行保温的时间分别替换为0min、30min和50min,最终完成Hastelloy N合金的钎焊。
对实施例1和实施例5~7最终制备得到的Hastelloy N合金的钎焊接头于室温下进行剪切强度的性能检测,检测结果如表2所示。
表2 不同保温时间下所获得Hastelloy N合金的钎焊接头的平均剪切强度
对比实施例1~7得到的Hastelloy N合金的钎焊接头的剪切测试结果(表1、表2),发现实施例1得到的钎焊接头强度最高,最高强度为589 MPa。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (4)
1.一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于包括以下步骤:
1)对待焊Hastelloy N合金进行表面处理,即对Hastelloy N合金的待焊面依次进行去除油污、打磨和抛光的处理;
2)羟乙基纤维素用水调成胶体状,得到粘结剂备用;将Ni粉、Cr粉、W粉、B粉、Si粉和Fe粉研磨混合,研磨后得到Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料;将所得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料加入到上述配制得到的粘结剂中并搅拌均匀,得到钎料糊状物;
3)取两块步骤1)表面处理后的Hastelloy N合金,将步骤2)所得钎料糊状物均匀涂覆在第一块Hastelloy N合金的待焊面上形成涂覆层;第一块Hastelloy N合金的待焊面上的涂覆层与第二块Hastelloy N合金的待焊面之间用胶水进行粘结固定,得到被焊工件;
4)将步骤3)所得被焊工件放入真空钎焊炉内进行加热活化处理,使被焊工件中的胶水和粘结剂充分挥发,且两块Hastelloy N合金的待焊面之间通过液化的钎料发生连接,随后降温冷却,最终完成Hastelloy N合金的钎焊;
步骤2)所得Ni-Cr-W-B-Si-Fe粉钎料,是由以下重量分数的组分组成:Cr粉 8~12%,W粉11-14%,B粉 1-4%,Si粉 2-4%,Fe粉 2-5%,余量为Ni粉。
2.如权利要求1所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤1)中,对待焊Hastelloy N合金进行表面处理的具体过程为:将待焊Hastelloy N合金置于丙酮中超声清洗以除去其表面的油污,随后将Hastelloy N合金从丙酮中取出并干燥,接着用砂纸打磨Hastelloy N合金的待焊面,最后采用金刚石抛光剂进行抛光处理。
3.如权利要求1所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤4)中,加热活化处理的过程为:首先升温至250~350℃并保温25~30 min,以使被焊工件中的胶水和羟乙基纤维素充分挥发,随后升温至950-1000℃并保温8-12min,最后升温至1120-1240℃并保温5~30min。
4.如权利要求1所述的一种采用Ni-Cr-W-B-Si-Fe钎料钎焊Hastelloy N合金的方法,其特征在于步骤4)中,降温冷却的过程为:先以6~8℃/min的速率降温至280~320℃,随后自然降温至室温。
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