CN112388142B - 一种获得rafm钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，使用铁基合金箔Fe‑Si‑B对RAFM钢试样进行瞬间液相扩散连接，以5‑20℃/min的升温速率升温至800‑900℃，保温20‑40min，再以5‑20℃/min的升温速率升温至1185‑1215℃，在垂直于待连接面的方向上施加0.2‑2MPa的压力，保温1‑60min，最后以5‑30℃/min的降温速率降到室温20‑25℃。本发明利用合金箔中间层并设计一种瞬间液相扩散连接的热循环工艺，从而获得具有均匀组织和良好力学性能的RAFM钢可靠接头。

Description

一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法
技术领域
本发明属于一种金属材料焊接技术，更加具体地说，涉及到一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，人类能源消耗日益增加。传统的不可再生能源逐渐枯竭，所以可再生能源的开发利用迫在眉睫。核能作为一种清洁能源，具有环境相容性好、零碳排放、经济高效的优点，是未来能源发展的趋势。因此，清洁核能的不断发展对核反应堆的安全、可靠、高效运行提出了更高的要求。由于核反应堆中特殊的环境，堆用结构材料需要承受更高的辐照剂量、更复杂的腐蚀环境以及更高的温度和压力。
RAFM钢的综合性能优异，具有低热膨胀系数、高几何稳定性、高导热性和良好的抗辐射膨胀性的优点，从而被选为核反应堆第一壁/包层的首选结构材料。由于核反应堆第一壁/包层结构复杂，体积较大，对压力密封性要求较高，其结构组件的同种材料或异种材料的焊接技术成为核反应堆实际应用发展的关键问题。为了实现RAFM钢的可靠连接，采用了多种熔焊技术，如气体保护钨极电弧焊、电子束焊接、激光焊接等。这些熔焊技术所获得的接头组织和母材有较大的差异，并且在热影响区中会产生裂纹，导致接头力学性能下降。近年来，真空扩散连接技术在航天航空、电子工业、核物理研究等领域的应用越来越广泛。但是采用固相扩散连接技术连接工件所需的压力很大，导致工件发生变形，接头中有较大的残余应力，并且固相扩散连接对工件连接面的表面粗糙度有较高的要求。瞬间液相扩散连接(简称TLP)结合了固相扩散连接和钎焊的优点，在连接过程中加入含有降熔元素的中间层，连接所需的压力很小，所以接头的残余应力小，变形小。通过瞬间液相扩散连接技术获得的接头组织和成分与母材均匀一致，接头的力学性能也与母材相近。目前，瞬间液相扩散连接技术已经广泛应用于高温合金、陶瓷、耐热钢等材料的焊接领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，利用合金箔中间层并设计一种瞬间液相扩散连接的热循环工艺，从而获得具有均匀组织和良好力学性能的RAFM钢可靠接头。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，在待连接的RAFM钢试样的待连接面之间设置铁基合金箔Fe-Si-B并在垂直于待连接面的方向上施加压力，在空气气氛中自室温20—25摄氏度以5-20℃/min的升温速率升温至800-900℃保温20-40min，再以5-20℃/min的升温速率升温至焊接温度1180-1220℃保温以实现RAFM钢的瞬间液相扩散连接，最后以5-30℃/min的降温速率降到室温20-25℃。
而且，所使用的RAFM钢的化学成分(元素重量百分数)为C0.04wt.％、Cr8.93wt.％、W1.71wt.％、Mn0.44wt.％、Si0.04wt.％、V0.22wt.％、Ta0.073wt.％，其余为Fe元素。
而且，铁基合金箔Fe-Si-B的化学成分为Si5-5.5wt.％、B 2.5-4wt.％、其余为Fe元素，优选Si5-5.3wt.％、B 2.5-3wt.％、其余为Fe元素。
而且，施加压力为0.1-2MPa的压力，优选0.2-1MPa。
而且，自室温以5-10℃/min的升温速率升温至850-900℃，保温20-30min，再以5-10℃/min的升温速率升温至焊接温度进行保温处理。
而且，瞬间液相扩散连接的焊接温度为1200-1215℃，保温时间为1—60min，优选3—60min，最短可达1—3min。
而且，在扩散连接前对RAFM钢试样进行预处理如下：将RAFM试样的待连接面用磨床磨平磨细；在丙酮中超声清洗20-30min，晾干；再在酒精中超声清洗20-30min，晾干；再将试样表面用酸洗溶液清洗3-5min，酸洗溶液中各个组分体积百分数为20％HNO3、5％HF、75％H2O。
而且，在扩散连接前对Fe-Si-B合金箔进行预处理如下：用砂纸将箔片的两面依次打磨至1500#；在丙酮中超声清洗20-30min，晾干；再在酒精中超声清洗20-30min，晾干；再将试样表面用酸洗溶液清洗3-5min，酸洗溶液中各个组分体积百分数为20％HNO3、5％HF、75％H2O。
本发明还公开了上述铁基合金箔Fe-Si-B在瞬间液相扩散连接RAFM钢中的应用。
与现有技术相比，本发明公开了一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，使用Fe-Si-B合金箔对RAFM钢试样进行瞬间液相扩散连接，连接所需的压力小，连接时间短，工件变形小，获得的接头组织和成分与母材均匀一致，接头的力学性能也与母材相近，室温抗剪强度达到300-600MPa，抗拉强度达到420-500MPa，为母材抗拉强度的83-94％。
附图说明
图1是本发明中RAFM钢在1215℃保温3min后的瞬间液相扩散连接接头的扫描电镜照片。
图2是本发明中RAFM钢在1200℃保温30min后的瞬间液相扩散连接接头的扫描电镜照片。
图3是本发明中RAFM钢在1200℃保温60min后的瞬间液相扩散连接接头的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明采用的剪切试验参照国标GB/T6396-2008“复合钢板力学及工艺性能试验方法”，拉伸试验参照国标GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”。本发明的RAFM钢由北京钢铁研究总院制备，化学成分为C0.04wt.％、Cr8.93wt.％、W1.71wt.％、Mn0.44wt.％、Si0.04wt.％、V0.22wt.％、Ta0.073wt.％，其余为Fe元素。使用的Fe基合金箔为实验室按照金属百分比进行熔融制备而成。
实施例1
步骤一：采用电火花线切割机床将RAFM钢切割成
Figure BDA0002170036470000031
的圆柱，然后用磨床将圆柱的端面磨平磨细。
步骤二：将Fe-Si-B合金箔裁剪成
Figure BDA0002170036470000032
的圆片，用砂纸将箔片的两面依次打磨至1500#。步骤三：连接前，将试样和合金箔片在丙酮中超声清洗20min，晾干，再在酒精中超声清洗30min，晾干。然后将试样表面用酸洗溶液(体积百分数20％HNO3+5％HF+75％H2O)清洗3min。
步骤四：将Fe-Si-B合金箔夹在两个RAFM钢试样的待连接面中间。将装配好的试样放在真空炉中，抽真空。当真空度达到5×10-3Pa时开始加热，以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温30min，再以5℃/min的升温速率升温至1215℃，施加1MPa的压力并保温3min，再随炉冷却到室温，从而获得连接好的试样。
步骤五：将试样焊缝居中，切割成5mm×8mm×16mm的长方体。将试样用80#-2000#的水砂纸依次打磨，然后抛光、腐蚀。采用光镜和扫描电镜观察瞬间液相扩散连接接头的微观组织。
步骤六：采用万能试验机对接头进行剪切试验。经过测试，接头的平均剪切强度为378MPa。
步骤七：采用万能试验机对接头进行拉伸试验。经过测试，接头的平均抗拉强度为438Mpa，达到母材抗拉强度的83.4％。
实施例2
步骤一：采用电火花线切割机床将RAFM钢切割成
Figure BDA0002170036470000041
的圆柱，然后用磨床将圆柱的端面磨平磨细。
步骤二：将Fe-Si-B合金箔裁剪成
Figure BDA0002170036470000042
的圆片，用砂纸将箔片的两面依次打磨至1500#。步骤三：连接前，将试样和合金箔片在丙酮中超声清洗20min，晾干，再在酒精中超声清洗30min，晾干。然后将试样表面用酸洗溶液(20％HNO3+5％HF+75％H2O)清洗5min。步骤四：将Fe-Si-B合金箔夹在两个RAFM钢试样的待连接面中间。将装配好的试样放在真空炉中，抽真空。当真空度达到5×10-3Pa时开始加热，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温20min，再以10℃/min的升温速率升温至1200℃，施加0.8MPa的压力并保温30min，再随炉冷却到室温，从而获得连接好的试样。
步骤五：将试样焊缝居中，切割成5mm×8mm×16mm的长方体。将试样用80#-2000#的水砂纸依次打磨，然后抛光、腐蚀。采用光镜和扫描电镜观察瞬间液相扩散连接接头的微观组织。
步骤六：采用万能试验机对接头进行剪切试验。经过测试，接头的平均剪切强度为558MPa。
步骤七：采用万能试验机对接头进行拉伸试验。经过测试，接头的平均抗拉强度为482Mpa，达到母材抗拉强度的92％。
实施例3
步骤一：采用电火花线切割机床将RAFM钢切割成
Figure BDA0002170036470000051
的圆柱，然后用磨床将圆柱的端面磨平磨细。
步骤二：将Fe-Si-B合金箔裁剪成
Figure BDA0002170036470000052
的圆片，用砂纸将箔片的两面依次打磨至1500#。步骤三：连接前，将试样和非晶箔片在丙酮中超声清洗30min，晾干，再在酒精中超声清洗20min，晾干。然后将试样表面用酸洗溶液(20％HNO3+5％HF+75％H2O)清洗3min。步骤四：将Fe-Si-B合金箔夹在两个RAFM钢试样的待连接面中间。将装配好的试样放在真空炉中，抽真空。当真空度达到5×10-3Pa时开始加热，以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温30min，再以5℃/min的升温速率升温至1200℃，施加0.2MPa的压力并保温60min，再随炉冷却到室温，从而获得连接好的试样。
步骤五：将试样焊缝居中，切割成5mm×8mm×16mm的长方体。将试样用80#-2000#的水砂纸依次打磨，然后抛光、腐蚀。采用光镜和扫描电镜观察瞬间液相扩散连接接头的微观组织。
步骤六：采用万能试验机对接头进行剪切试验。经过测试，接头的平均剪切强度为475MPa。
步骤七：采用万能试验机对接头进行拉伸试验。经过测试，接头的平均抗拉强度为480Mpa，达到母材抗拉强度的91.4％。
根据本发明内容对工艺参数进行调整，均可实现RAFM钢的连接，经测试表现出与本发明基本一致的性能，即连接时间短，工件变形小，获得的接头组织和成分与母材均匀一致，接头的力学性能也与母材相近，室温抗剪强度达到300-600MPa，抗拉强度达到420-500MPa，为母材抗拉强度的83-94％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，在待连接的RAFM钢试样的待连接面之间设置铁基合金箔Fe-Si-B并在垂直于待连接面的方向上施加压力，在空气气氛中自室温20—25摄氏度以5-20℃/min的升温速率升温至800-900℃保温20-40min，再以5-20℃/min的升温速率升温至焊接温度1180-1220℃保温以实现RAFM钢的瞬间液相扩散连接，保温时间为1—60min，最后以5-30℃/min的降温速率降到室温20-25℃；铁基合金箔Fe-Si-B的化学成分为Si5-5.5wt.％、B 2.5-4wt.％、其余为Fe元素，施加压力为0.1-2MPa的压力；RAFM钢的化学成分为C0.04wt.％、Cr8.93wt.％、W1.71wt.％、Mn0.44wt.％、Si0.04wt.％、V0.22wt.％、Ta0.073wt.％，其余为Fe元素；接头组织和成分与母材均匀一致，室温抗剪强度达到300-600MPa，抗拉强度达到420-500MPa，为母材抗拉强度的83-94％。
2.根据权利要求1所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，铁基合金箔Fe-Si-B的化学成分为Si5-5.3wt.％、B 2.5-3wt.％、其余为Fe元素。
3.根据权利要求1或者2所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，施加压力为0.2-1MPa。
4.根据权利要求1或者2所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，自室温以5-10℃/min的升温速率升温至850-900℃，保温20-30min，再以5-10℃/min的升温速率升温至焊接温度进行保温处理。
5.根据权利要求1或者2所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，瞬间液相扩散连接的焊接温度为1200-1215℃，保温时间为3—60min。
6.根据权利要求1或者2所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，在扩散连接前对RAFM钢试样进行预处理如下：将RAFM试样的待连接面用磨床磨平磨细；在丙酮中超声清洗20-30min，晾干；再在酒精中超声清洗20-30min，晾干；再将试样表面用酸洗溶液清洗3-5min，酸洗溶液中各个组分体积百分数为20％HNO3、5％HF、75％H2O。
7.根据权利要求1或者2所述的一种获得RAFM钢可靠接头的瞬间液相扩散连接的方法，其特征在于，在扩散连接前对Fe-Si-B合金箔进行预处理如下：用砂纸将箔片的两面依次打磨至1500#；在丙酮中超声清洗20-30min，晾干；再在酒精中超声清洗20-30min，晾干；再将试样表面用酸洗溶液清洗3-5min，酸洗溶液中各个组分体积百分数为20％HNO3、5％HF、75％H2O。
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