CN111347147A - 一种钨与热沉材料的热等静压连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于异种材料连接技术，具体为一种钨与热沉材料的热等静压连接方法。将钨块、热沉材料和纯铁中间层焊接面进行预处理，对不锈钢包套清洗，钨块、热沉材料和纯铁中间层真空烘烤进行除气，将热等静压包套进行的排气处理后再进行夹封和密封焊，接头包套密封体放入热等静压炉，保温保压完成后，冷却至室温，接头包套密封体在加热炉中保温后空冷，拆卸接头包套密封体得到接头。本方法显著减少接头制作的工艺步骤和周期，同时避免界面更多脆性相的生成。

Description

一种钨与热沉材料的热等静压连接方法
技术领域
本发明属于异种材料连接技术，具体涉及一种钨与热沉材料的链接方法。
背景技术
面向等离子体部件的设计和制备是热核聚变反应装置制造中的一个关键技术。钨及其合金具有高熔点、高热导率、低蒸气压和低溅射腐蚀率，被视为未来托克马克聚变反应堆中最可能全面使用的面对等离子体材料。
钨需要与高导热的热沉材料连接以达到冷却的目的，而铜合金及低活化钢是理想的热沉材料的候选材料，其中低活化钢用于第一壁的热沉材料，导热性能更好的铜用于偏滤器的热沉材料，因此钨/铜及钨/钢的连接具有实际研究意义和商业价值。
要组成一个完整的面向等离子体部件，钨与钢或铜等热沉材料的连接至关重要。由于钨和钢或铜的热导率和熔点差异极大，熔化焊接很难实现两者连接。目前钨与钢或铜焊接主要采用钎焊，但钎焊温度一般都较高，钎焊后热应力极大，且母材组织和性能也将恶化。扩散焊特别是热等静压扩散焊能在较低温度下实现材料的连接，因此能有效降低焊接热应力，同时对母材的影响也较小，因此成为钨与钢或铜连接的另一热点研究方向。
一般热等静压温度都在900-1100℃之间，且采取炉冷，因此低活化钢和CuCrZr合金组织和强度都将发生弱化，所以需要通过后续固溶和退火处理以恢复其组织和强度。后续热处理(包括热等静压后的长时间冷却过程)都可能增加界面脆性金属间化合物，从而降低接头连接强度。
钨/低活化钢或钨/CuCrZr合金采用纯铁作为中间层，通过热等静压连接成功后通常都需要进行后续固溶处理和回火或时效处理以恢复其中钢或铜合金的组织和性能，但后续热处理也可能导致钨/铁界面组织的变化从而降低连接强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨或钨合金与热沉材料的热等静压连接方法，能够避免后续热处理对界面组织和材料强度的恶化。
本发明的技术方案如下：
一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，包括如下步骤：
1)将钨块、热沉材料和纯铁中间层焊接面进行预处理；
2)不锈钢包套清洗；
3)钨块、热沉材料和纯铁中间层真空烘烤进行除气
烘烤温度为250-350℃、时间为3-6h；
4)将热等静压包套进行6-12h的排气处理后再进行夹封和密封焊；
5)将接头包套密封体放入热等静压炉，升温至940-1000℃、升压至60-180Mpa，保温保压时间为30-60min；
6)保温保压完成后，以20～80℃/min的速率冷却至室温；
7)接头包套密封体在加热炉中保温后空冷；
8)拆卸接头包套密封体。
所述步骤1)中的预处理包括在焊接面进行砂纸打磨抛光和超声清洗处理。
超声清洗的洗涤剂为丙酮或者酒精，时间均为10-30min。
热沉材料为低活化钢或CuCrZr合金。
钨/低活化钢接头包套密封体继续放入500-800℃的加热炉中保温1-3h后空冷。
钨/CuCrZr合金接头包套密封体继续放入450-600℃的加热炉中保温1-3h后空冷。
所述的步骤2)不锈钢包套清洗包括去油剂和去锈剂清洗。
本发明的显著效果如下：
热等静压温度和低活化钢及CuCrZr合金的固溶处理温度接近，而且目前已有能进行快速冷却的热等静压炉。因此，热等静压后快速冷却即可省去后续固溶处理，本方法显著减少接头制作的工艺步骤和周期，同时避免界面更多脆性相的生成。
(1)相对于常规的钨/低活化钢或钨/CuCrZr连接方法，采用快冷工艺替代慢冷工艺，并省略了常规的固溶处理，工艺周期缩短一倍。且同时低活化钢和CuCrZr合金的组织强度和结构性能都能得到保证。
(2)通过本方法中的连接工艺，使得制备的钨/低活化钢或钨/CuCrZr合金接头，其脆性金属间化合物层厚度得到明显降低，接头连接性能有明显的提升。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
本方法针对的热沉材料为低活化钢或CuCrZr合金。
步骤1、将钨块、低活化钢块或CuCrZr合金块和纯铁中间层的焊接面进行砂纸打磨抛光和超声清洗处理。所述超声清洗的洗涤剂为丙酮或酒精，时间均为10-30min。
步骤2、将不锈钢包套进行去油剂和去锈剂清洗。
步骤3、将清洗后的钨块、低活化钢块或CuCrZr合金块、纯铁中间层、不锈钢包套均采用真空烘烤进行除气，烘烤温度为250-350℃、时间为3-6h、真空度优于1×10-3Pa。
步骤4、将热等静压包套在优于1×10-4Pa的真空度下进行6-12h的排气处理后再进行夹封和密封焊。
步骤5、将接头包套密封体放入热等静压炉，升温至940-1000℃、升压至60-180Mpa，保温保压时间为30-60min。
步骤6、保温保压完成后，以20～80℃/min的速率冷却至室温。
步骤7、钨/低活化钢接头包套密封体继续放入500-800℃的加热炉中保温1-3h后空冷，钨/CuCrZr合金接头包套密封体继续放入450-600℃的加热炉中保温1-3h后空冷。
步骤8、去除包套获得钨/低活化钢或钨/CuCrZr合金接头。
上述的不锈钢包套、热等静压包套、接头包套密封体属于常规技术中的部件，不在赘述其结构。
实施例一
1.将钨块、低活化钢块和纯铁中间层的焊接面进行砂纸打磨抛光和超声清洗处理。所述超声清洗的洗涤剂为丙酮和酒精，时间均为30min。
2.将不锈钢包套进行去油剂和去锈剂清洗。
3.将清洗后的钨块、低活化钢块、纯铁中间层、不锈钢包套均采用真空烘烤进行除气，烘烤温度为300℃、时间为3h、真空度优于1×10-3Pa。
4.将热等静压包套在优于1×10-4Pa的真空度下进行12h的排气处理后再进行夹封和密封焊。
5.将接头包套密封体放入热等静压炉，升温至980℃、升压至150Mpa，保温保压时间为60min。
6.保温保压完成后，以60℃/min的速率冷却至室温。
7.对钨/低活化钢接头包套密封体进行740℃/60min的回火处理。
8.去除包套获得钨/低活化钢接头。
对本实施例所得钨/低活化钢接头进行剪切测试，钨/低活化钢最高剪切强度可达295Mpa，高于常规工艺(热等静压连接后重新固溶和回火或时效处理)的250Mpa。对低活化钢进行硬度测试，测得其硬度只略低于常规工艺所得硬度。
实施例二
1.将钨块、CuCrZr合金块和纯铁中间层的焊接面进行砂纸打磨抛光和超声清洗处理。所述超声清洗的洗涤剂为丙酮和酒精，时间均为30min。
2.将不锈钢包套进行去油剂和去锈剂清洗。
3.将清洗后的钨块、CuCrZr合金块、纯铁中间层、不锈钢包套均采用真空烘烤进行除气，烘烤温度为300℃、时间为3h、真空度优于1×10-3Pa。
4.将热等静压包套在优于1×10-4Pa的真空度下进行12h的排气处理后再进行夹封和密封焊。
5.将包套密封体放入热等静压炉，升温至940℃、升压至150Mpa，保温保压时间为70min。
6.保温保压完成后，以50℃/min的速率冷却至室温。
7.对钨/CuCrZr合金接头包套密封体进行475℃/90min的时效处理。
8.去除包套获得钨/CuCrZr合金接头。
对本实施例所得钨/CuCrZr合金接头进行剪切测试，钨/CuCrZr合金最高剪切强度可达200Mpa，和常规工艺水平接近。对CuCrZr合金进行硬度测试，测得其硬度只略低于常规工艺所得硬度。

Claims (7)

1.一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将钨块、热沉材料和纯铁中间层焊接面进行预处理；
2)不锈钢包套清洗；
3)钨块、热沉材料和纯铁中间层真空烘烤进行除气烘烤温度为250-350℃、时间为3-6h；
4)将热等静压包套进行6-12h的排气处理后再进行夹封和密封焊；
5)将接头包套密封体放入热等静压炉，升温至940-1000℃、升压至60-180Mpa，保温保压时间为30-60min；
6)保温保压完成后，以20～80℃/min的速率冷却至室温；
7)接头包套密封体在加热炉中保温后空冷；
8)拆卸接头包套密封体。
2.如权利要求1所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：所述步骤1)中的预处理包括在焊接面进行砂纸打磨抛光和超声清洗处理。
3.如权利要求2所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：超声清洗的洗涤剂为丙酮或者酒精，时间均为10-30min。
4.如权利要求1所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：热沉材料为低活化钢或CuCrZr合金。
5.如权利要求4所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：钨/低活化钢接头包套密封体继续放入500-800℃的加热炉中保温1-3h后空冷。
6.如权利要求4所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：钨/CuCrZr合金接头包套密封体继续放入450-600℃的加热炉中保温1-3h后空冷。
7.如权利要求1所述的一种钨与热沉材料的热等静压连接方法，其特征在于：所述的步骤2)不锈钢包套清洗包括去油剂和去锈剂清洗。
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