CN113478063A - 以难熔金属为中间层的钛锆钼合金真空扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开以难熔金属为中间层的钛锆钼合金真空扩散连接方法，包括步骤：控制钛锆钼合金中碳含量为0.01wt%‑0.015wt；对钛锆钼合金的待连接面进行处理；采用铌箔或钽箔作为连接中间层；借助于真空扩散焊炉，在真空度10‑2‑10‑3Pa，连接温度1250‑1350℃，连接压力6‑12MPa，保压时间2‑6h条件下，实现钛锆钼合金的扩散连接；扩散连接后，对钛锆钼合金接头进行均匀化处理，促进钛锆钼中钼元素与中间层元素互扩散，改善接头界面区结构和力学性能；最后，以受控的方式冷却经过均匀化的钛锆钼合金接头，以得到钛锆钼合金扩散连接接头。该方法能够在实现良好原子扩散的同时保证接头的高温服役性能，使得制备得到的钛锆钼合金接头在常温和高温下均具有优异的力学性能。

Description

以难熔金属为中间层的钛锆钼合金真空扩散连接方法
技术领域
本申请涉及耐高温合金材料的连接方法，具体涉及一种以难熔金属为中间层的钛锆钼合金真空扩散连接方法。
背景技术
钛锆钼合金（简称TZM合金）是一种以钼(Mo)为基体，添加了少量钛(Ti)、锆(Zr)和碳(C)元素的钛锆钼合金，具有比金属钼更高的再结晶温度（1350℃-1400℃）、更优异的耐高温力学性能和腐蚀性能。因此，钛锆钼合金作为重要的耐高温结构材料，十分适用于航空航天、核电、电气电子、锻造模具等高温服役环境下的工程应用。
然而，在钛锆钼合金的焊接存在诸多难点。首先钛锆钼合金属于高温难熔金属，熔化焊接时易产生粗大晶粒，且裂纹形成倾向较大，从而使得接头力学性能显著下降。其次，钛锆钼合金在高温下易氧化，在焊接过程中若保护不利，易造成焊接缺陷
在现有技术中，常选用镍、钛等熔点较低的合金箔或纯金属箔作为中间层，采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)扩散连接、热等静压扩散连接、真空扩散连接等方法实现钛锆钼合金的连接。SPS和热等静压扩算连接方法受限于设备能力，并需要配合模具使用，不适用较大连接面积工件的制备。而真空扩散连接工艺不工艺相对简单，较为适用于较大连接面积工件的制备。例如，学者张伟杰在其“TZM合金扩散连接工艺及机理的研究”中公开了用于钛锆钼合金的真空扩散连接工艺。在该文献中，公开了使用镍（Ni）箔中间层的扩散连接方法，通过该方法可以实现抗拉强度达到294兆帕（MPa）的钛锆钼合金接头。此外，其还公开了使用BNi2（镍基合金）中间层的瞬时液相扩散方法，该方法可以实现抗拉强度达到301MPa的钛锆钼合金接头。
然而，这些接头的常温抗拉强度仍不及母材钛锆钼合金的抗拉强度的50%。并且，钛锆钼接头中低熔点中间层的存在与钛锆钼合金高温服役的使用目的相悖，影响钛锆钼合金工件的高温服役性能。张伟杰一文还公开了使用高熔点难熔金属铌（Nb）作为中间层进行扩散连接的方法，然而通过该方法形成的接头的抗拉强度仅为24.8MPa，并且存在较多缺陷。换句话说，迄今为止，无法用难熔金属（如铌箔）作为中间层真空扩散连接形成有效的钛锆钼合金接头。
发明内容
鉴于现有技术的上述问题，本申请提供一种以难熔金属铌和钽为中间层的钛锆钼合金的真空扩散连接方法，其能够在实现良好原子扩散的同时保证接头的高温服役性能，使得制备得到的钛锆钼合金接头在常温和高温下均具有优异的力学性能。
为了达到上述目的，本申请提供一种钛锆钼合金的真空扩散连接方法，其包括以下步骤：
-对钛锆钼合金的待连接面进行机械加工、预磨、抛光和超声波清洗并干燥，得到所述钛锆钼合金的经过处理的待连接面，其中，钛锆钼合金中碳含量为0.01-0.015wt%；
-对铌箔或钽箔进行酸洗、超声波清洗并干燥，得到经过处理的铌箔或钽箔，其中，所述铌箔或钽箔的厚度为60-100微米、纯度为≥99.5%；
-将所述经过处理的铌箔或钽箔装配在所述钛锆钼合金的所述经过处理的待连接面之间，得到装配体；
-借助于真空扩散焊炉，在真空度为10-2-10-3帕（Pa）的条件下，以受控的方式加热所述装配体至1250-1350℃的连接温度，其中，在所述真空扩散炉从室温加热至1000℃的过程中，将加热升温速率控制为5-10℃/分钟，当所述真空扩散炉达到1000℃时，在该温度下进行15-45分钟的保温，在所述真空扩散炉从1000℃至所述连接温度过程中，将所述加热升温速率控制为1-3℃/分钟；
-当所述真空扩散炉达到所述连接温度时，通过压头对所述真空扩散炉中的所述装配体轴向施加6-12MPa的连接压力，然后在所述连接温度下保温2-6小时，以得到钛锆钼合金接头；
-在1150-1250℃的均匀化温度、真空或惰性气体保护的条件下保温所述钛锆钼合金接头2-10小时，以均匀化所述接头的成分及组织；以及
-以受控的方式冷却经过均匀化的所述钛锆钼合金接头，以得到钛锆钼合金的扩散连接接头，其中，在从所述均匀化温度冷却至1000℃的过程中，将冷却降温速率控制为2-10℃/分钟，在从1000℃冷却至500℃的过程中，将所述冷却降温速率控制为8-20℃/分钟。
通过合理选定钛锆钼合金成分，采用难熔金属的铌箔或钽箔作为中间层，改进包括箔片厚度、连接温度、轴向连接压力等的扩散连接工艺参数，增加均匀化、受控冷却过程，在实现良好的Mo-Nb或Mo-Ta间原子扩散，抑制了碳化铌或碳化钽在接头界面的生成，使得制备得到的钛锆钼合金接头的常温和高温抗拉强度达到了母材对应抗拉强度的70%以上。在不受理论束缚的情况下，相信根据本申请的扩散连接方法有效促进了钛锆钼合金母材和难熔金属（铌箔或钽箔）中间层之间的钼与铌或钼与钽的互扩散，同时抑制了脆性碳化物（碳化铌或碳化钽）在连接界面处生成，实现了钛锆钼合金母材和铌箔之间良好的扩散连接。这一方面可以在接头界面处形成铌-钼固溶体，提高了钛锆钼合金接头在常温下的力学性能。另一方面，由于铌的熔点（2468℃）和钽的熔点（2996℃）均较高，选用这两种难熔金属其中之一作为中间层能够使钛锆钼合金接头在高温下相对有效地保持较高的力学性能，不易导致接头在高温失效。
换句话说，现有技术公开的方法制备的接头由于采用了中间层，提高了接头在常温下的力学性能，但所采用的中间层本身由于高温性能较差，在接头的高温服役环境中形成了高温薄弱区，容易造成整个接头的失效。而由张伟杰公开的采用铌箔作为中间层的扩散方法，由于在铌箔和钛锆钼母材之间无法实现有效的扩散连接，其制备得到的接头力学性能很差。根据本申请的扩散连接方法由于通过采用高熔点铌箔或钽箔作为的中间层，改进了多项工艺参数，增加了均匀化、受控冷却过程，相比于现有技术，能够在实现良好的原子扩散的同时保证接头的高温服役性能，使得制备得到的钛锆钼合金接头在常温和高温下均具有优异的力学性能。此外，本申请发明人通过大量实验发现采用铌、钽中间层扩散连接钛锆钼合金时易在界面处产生脆性碳化物，恶化接头性能。因此，本申请通过优化钛锆钼合金碳元素含量、连接温度、冷却方式等参数，抑制了界面化合物的产生，保证了钛锆钼合金扩散连接接头的强度。
在本申请一种可能的实现方式中，所述钛锆钼合金中碳含量为0.01-0.012wt%。
由上，通过进一步限定钛锆钼合金中碳元素的含量，进一步抑制了脆性碳化物（碳化铌或碳化钽）在连接界面处生成，促进了钛锆钼合金母材和铌箔之间良好的扩散连接。
在本申请一种可能的实现方式中，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述机械加工是将所述钛锆钼合金的待连接面的粗糙度机械加工至Ra0.4-0.8，并且使得所述钛锆钼合金的待连接面与所述钛锆钼合金与所述压头接触的加压面之间的平行度小于0.02毫米。
在本申请一种可能的实现方式中，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述预磨是利用依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸进行的。
在本申请一种可能的实现方式中，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述抛光是利用抛光布抛光所述钛锆钼合金的待连接面，使得所述钛锆钼合金的待连接面的粗糙度Ra为0.2至0.4。
在本申请一种可能的实现方式中，所述对铌箔或钽箔进行酸洗是利用10wt%盐酸浸泡所述铌箔5-10分钟，所述对铌箔进行超声波清洗是利用酒精或丙酮进行的，并且所述干燥是自然风干。
由上，通过进一步限定对钛锆钼合金工件的待连接面和受力面进行的机械加工、预磨、抛光和超声波清洗，使得待连接面和受力面之间具有特定的平行度，待连接面具有特定的粗糙度和清洁度（以避免油污和氧化膜的影响），有利于提高接头的连接质量，使得接头在常温和高温下的力学性能更好。
在本申请一种可能的实现方式中，在所述真空扩散炉从室温加热至1000℃的过程中，将加热升温速率控制为6-8℃/分钟，当所述真空扩散炉达到1000℃时，在该温度下进行30-40分钟的保温，在所述真空扩散炉从1000℃至所述连接温度过程中，将升温速率控制为2-3℃/分钟。
在本申请一种可能的实现方式中，所述连接温度为1290-1350℃。
在本申请一种可能的实现方式中，所述连接压力为7-10MPa，在所述连接温度下保温3-5小时。
在本申请一种可能的实现方式中，在1180-1220℃的均匀化温度、真空或惰性气体保护的条件下保温所述钛锆钼合金接头3-5小时。
在本申请一种可能的实现方式中，在从所述均匀化温度冷却至1000℃的过程中，将冷却降温速率控制为2-6℃/分钟，在从1000℃冷却至500℃的过程中，将冷却降温速率控制为10-15℃/分钟。
由上，通过进一步限定扩散连接方法的加热速率、连接温度、轴向连接压力、连接温度下的保温时长、均匀化温度、均匀化温度的保温时长等工艺参数，有利于进一步促进合金母材和铌箔中间层之间的钼与铌、钼与钽的互扩散，即促进形成连接界面之间更加良好的扩散连接，从而进一步提高接头在常温和高温下的力学性能。此外，通过合理设计连接温度和保温时长，促进钛锆钼合金中钼元素与中间层元素扩散的同时，抑制钛锆钼中碳元素与中间层元素形成碳化铌或碳化钽化合物，从而避免由界面化合物引起的接头力学性能恶化。
在本申请一种可能的实现方式中，均匀化和受控冷却过程是在真空扩散炉中进行。换句话说，可以通过调整真空扩散炉的温度来在加压连接后直接进行均匀化和随后的受控冷却。
在本申请一种可能的实现方式中，均匀化和冷却过程是在真空加热炉或气氛保护炉中进行。换句话说，需要等待真空扩散炉冷却以取出接头后，在真空加热炉或气氛保护炉中完成后续的均匀化和受控冷却过程。该方法缩短了真空扩散炉的使用时间，可提高生产效率。
本申请的上述内容在以下参照附图的多个实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
以下将提供本申请的附图，这些附图仅为了以更直观的形式体现本申请，它们是示例性的，并不意图限制本申请的范围。
图1示出了通过本申请一个方法实施例制备得到的钛锆钼扩散连接接头的组织形貌，其中图1左侧示出了放大倍率为100倍的扫描电子显微镜（SEM）图，图1右侧示出了图1左侧中方框区域的扫描电子显微镜（SEM）图，其放大倍率为500倍；
图2是图1左侧扫描电子显微镜图片显示的钼钛锆母材和中间层界面处的各主要元素分布情况分析图。
图3示出了通过本申请的对比例制备得到的钛锆钼扩散连接接头的组织形貌，其中图3左侧示出了放大倍率为100倍的扫描电子显微镜（SEM）图，图3右侧示出了图3左侧中方框区域的扫描电子显微镜（SEM）图，其放大倍率为500倍。
具体实施方式
为使本申请更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。本申请所述的实验方法，若无特殊说明，均为常规方法；所述的材料，若无特殊说明，均可从商业途径获得。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施方式的目的，不是意图限制本申请。
为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本发明，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的词语和术语给出如下的解释说明或定义。
本说明书中使用的词语“一个实施方式”或“实施方式”意味着与该实施方式结合描述的特定特征、步骤或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”并不一定都指同一实施方式，但可以指同一实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、步骤或特性，如从本申请对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
说明书和权利要求书中使用的术语“真空扩散炉”是能够为工件提供真空环境的同时对工件施加压力的设备。
说明书和权利要求书中使用的术语“真空加热炉”是能够为工件提供真空环境的设备。
说明书和权利要求书中使用的术语“气氛保护炉”是能够为工件提供惰性气体环境的设备。
说明书和权利要求书中使用的术语“钛锆钼合金”，又称TZM合金。根据ASTM B386标准，其成分为0.4wt%~0.55wt % 钛、0.06wt%~0.12wt% 锆和0.01wt%~0.04wt% 碳。本申请中为抑制界面处产生脆性化合物，特别地限定了钛锆钼合金中碳含量为0.01wt~0.015wt%。
说明书和权利要求书中使用的术语“扩散连接”是在高温和压力的作用下，使被连接表面发生塑性变形而紧密接触，并且经一定时间的原子间互扩散从而形成可靠接头的工艺方法。该方法特别适用于制备连接面积较大，尺寸精度和力学性能要求较高的接头。
说明书和权利要求书中涉及的词语“轴向”是垂直于钛锆钼合金母材与铌箔中间层接触的接触面的方向。
<实施例1>
将钛锆钼合金（碳含量：0.01wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.02的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.4。
选用厚度60微米、纯度为≥99.5%的铌箔。用铌箔10wt%盐酸浸泡所述铌箔10分钟，然后用酒精对酸洗后的铌箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的铌箔自然风干。
将干燥的铌箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以5℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行40分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1250℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1250℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体轴向施加10MPa的连接压力，然后在1250℃下保温6小时。保温结束后，撤去连接压力，将炉温降至1150℃，在该温度下降钛锆钼合金接头保温5小时，以均匀化接头的成分及组织，促进铌箔中间层的铌元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
均匀化结束后，以2℃/分钟的冷却降温速率将气氛保护炉从1150℃的均匀化温度冷却至1000℃，再以8℃/分钟的冷却降温速率冷却至500℃，最后随炉冷却的方式从500℃冷却至室温。从真空扩散炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<实施例2>
将钛锆钼合金（碳含量：0.015wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.01的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.4。
选用厚度100微米、纯度为≥99.5%的铌箔。用铌箔10wt%盐酸浸泡所述铌箔10分钟，然后用酒精对酸洗后的铌箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的铌箔自然风干。
将干燥的铌箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以10℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行40分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1300℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1300℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体轴向施加8MPa的连接压力，然后在1300℃下保温4小时。随炉冷却，得到钛锆钼接头。
将钛锆钼接头放入气氛保护炉中，以10℃/分钟的加热升温速率加热气氛保护炉至1220℃的均匀化温度，在惰性气体氮气保护的条件下保温该钛锆钼合金接头10小时，以均匀化接头的成分及组织，促进铌箔中间层的铌元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
以10℃/分钟的冷却降温速率将气氛保护炉从1220℃的均匀化温度冷却至1000℃，再以20℃/分钟的冷却降温速率冷却至500℃，最后通过随炉冷却的方式从500℃冷却至室温。从气氛保护炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<实施例3>
将钛锆钼合金（碳含量：0.012wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.01的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.2。
选用厚度70微米、纯度为≥99.5%的铌箔。用铌箔10wt%盐酸浸泡所述铌箔5分钟，然后用丙酮对酸洗后的铌箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的铌箔自然风干。
将干燥的铌箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以8℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行30分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1320℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1310℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体施加7MPa的连接压力，然后在1310℃下保温4小时。
然后调整真空扩散炉的温度，在1200℃的均匀化温度、同样的真空度的条件下保温该钛锆钼合金接头4小时，以均匀化接头的成分及组织，促进铌箔中间层的铌元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
以6℃/分钟的冷却降温速率将真空扩散炉从1200℃的均匀化温度冷却至1000℃，再以10℃/分钟的冷却降温速率冷却至500℃，最后通过自然冷却的方式从500℃冷却至室温。从真空扩散炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<实施例4>
将钛锆钼合金（碳含量：0.01wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.01的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.2。
选用厚度80微米、纯度为≥99.5%的钽箔。用10wt%盐酸浸泡所述钽箔8分钟，然后用酒精对酸洗后的钽箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的钽箔自然风干。
将干燥的钽箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以6℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行35分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1300℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1300℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体轴向施加6MPa的连接压力，然后在1300℃下保温4小时。
将钛锆钼接头放入气氛保护炉中，以6℃/分钟的加热升温速率加热气氛保护炉至1200℃的均匀化温度，在惰性气体氩气保护的条件下保温该钛锆钼合金接头4小时，以均匀化接头的成分及组织，促进铌箔中间层的钽元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
以2℃/分钟的冷却降温速率将气氛保护炉从1200℃的均匀化温度冷却至1000℃，再以10℃/分钟的冷却降温速率冷却至500℃，最后通过自然冷却的方式从500℃冷却至室温。从气氛保护炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<实施例5>
将钛锆钼合金（碳含量：0.01wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.01的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.2。
选用厚度100微米、纯度为≥99.5%的钽箔。用10wt%盐酸浸泡所述钽箔8分钟，然后用丙酮对酸洗后的铌箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的钽箔自然风干。
将干燥的钽箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-3-10-4Pa的条件下，以8℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行15分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1300℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1300℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体轴向施加9MPa的连接压力，然后在1300℃下保温6小时。
然后调整真空扩散炉的温度，在1180℃的均匀化温度、同样的真空度的条件下保温该钛锆钼合金接头8小时，以均匀化接头的成分及组织，促进钽箔中间层的钽元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
以2℃/分钟的冷却降温速率将真空扩散炉从1180℃的均匀化温度冷却至1000℃，再以10℃/分钟的冷却降温速率冷却至500℃，最后通过自然冷却的方式从500℃冷却至室温。从真空扩散炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<对比例1>
将钛锆钼合金（碳含量：0.04wt%）工件的待连接面机械加工成具有0.8的粗糙度Ra，并且具有与和压头接触的受压面之间0.02的平行度。然后依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸对待连接面进行预磨，在用抛光布进行抛光，使得钛锆钼合金工件的待连接面的粗糙度Ra为0.4。
选用厚度60微米、纯度为≥99.5%的铌箔。用铌箔10wt%盐酸浸泡所述铌箔10分钟，然后用酒精对酸洗后的铌箔进行超声波清洗，以除去表面杂质。最后将清洗后的铌箔自然风干。
将干燥的铌箔装配在钛锆钼合金工件的抛光好的待连接面之间，得到装配体。
将装配体放到真空扩散炉中。在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以5℃/分钟的加热升温速率将真空扩散炉从室温加热至1000℃，在该温度下进行40分钟的保温，随后以2℃/分钟的加热升温速率加热至1360℃的连接温度。
当所述真空扩散炉达到1360℃时，通过压头对真空扩散炉中的装配体施加10MPa的连接压力，然后在1360℃下保温8小时。保温结束后，撤去连接压力，将炉温降至1260℃，在该温度下降钛锆钼合金接头保温12小时，以均匀化接头的成分及组织，促进铌箔中间层的铌元素与钛锆钼合金的钼元素充分互扩散。
均匀化结束后，以随炉冷却的方式冷却至室温。从真空扩散炉中取出制得的钛锆钼合金的扩散连接接头。
<实验例1>
利用光学显微镜和扫描电子显微镜对由实施例1制备得到的钛锆钼合金的扩散连接接头的界面组装进行观察，结果显示在图1中。其中在图1中左侧图片为钛锆钼接头放大100倍的扫描电子显微镜照片，其中可以观察母材和中间层之间界面结合良好，没有明显的焊接缺陷。图1中右侧图片为钛锆钼接头中间层放大500倍的扫描电子显微镜照片，其明显地显示了钛锆钼（TZM）母材和铌箔中间层之间存在界面层，母材和中间层之间界面结合良好，没有明显的焊接缺陷。
通过扫描电子显微镜对钛锆钼接头进行元素分布情况的分析，结果如图2所示。由图2可以看出，在钛锆钼母材和铌箔的界面处存在铌元素和钼元素的明显梯度分布，这表明了接头中的钛锆钼母材的钼元素和铌箔中间层的铌元素发生了互扩散，从而在钛锆钼母材和铌箔中间层之间形成了可靠的扩散连接。
利用光学显微镜和扫描电子显微镜对由对比例1制备得到的钛锆钼合金的扩散连接接头的界面组装进行观察，结果显示在图3中。其中在图3中左侧图片为钛锆钼接头放大100倍的扫描电子显微镜照片，其中可以观察母材和中间层之间界面中存在深色裂纹。在图3中右侧图片为为钛锆钼接头中间层放大500倍的扫描电子显微镜照片，其明显地显示了钛锆钼（TZM）母材和铌箔中间层之间存在多个裂纹，并且在裂纹处存在大量连续的深色脆性化合物。这表明对比例1的接头在钛锆钼合金中碳元素含量过高，连接温度过高，保温时间过长的条件下，会出现界面化合物长大现象。粗大的化合物易导致界面处产生微裂纹，从而恶化接头的力学性能。此外，不受控的冷却也会加剧裂纹的产生。
<实验例2>
采用粉末冶金方法制备出φ50mm的钛锆钼棒材，碳含量分别为0.01wt%、0.012wt%和0.015wt%。使用钛锆钼棒材作为母材，分别利用实施例1至5的制备方法，制备得到反应扩散连接接头的拉伸试样，分别测试常温及高温（1000℃）抗拉强度，结果如下表1所示。常温拉伸测试和高温拉伸测试的测试过程除了测试温度不同外其它参数均一致。结果如下表1所示。
表1 TZM母材及接头常温及高温性能
Figure 553901DEST_PATH_IMAGE001
由表1可知，由本申请公开的技术方案制得的钛锆钼接头具有良好的力学性能。在常温下，由本申请公开的技术方案制得的钛锆钼接头的拉伸强度高达钛锆钼合金母材的76.8%（实施例4），显著优于现有技术所能达到的效果。此外，由本申请公开的技术方案制得的钛锆钼接头具有良好的高温性能，其高温抗拉强度高达其常温抗拉强度的89%（实施例4），显著改善了现有技术中存在的高温失效的问题。
总而言之，相比于现有技术，本申请具有以下优点。
本申请选用熔点较高的铌箔或钽箔作为中间层，在实现合金母材和中间层的扩散连接后，接头中不存在低熔点的高温薄弱区，从而在实现良好的连接的同时保证接头的高温服役性能。
本申请通过合理设计的钛锆钼合金成分、连接温度、连接压力和保温时间，诱发钛锆钼合金中钼元素与中间层元素（铌或钽）在界面处互扩散，形成明显界面层，实现钛锆钼合金的冶金连接。同时，抑制钛锆钼中碳元素与中间层元素（铌或钽）生产脆性碳化铌或碳化钽，改善接头力学性能。
本申请通过连接后的接头的均匀化进程使中间层元素（铌或钽）与钛锆钼合金的钼元素进一步互扩散，接头界面处形成明显的扩散层，进一步提高接头的力学性能。由此，实现了钛锆钼合金良好的扩散连接，从而使得制得的接头具有较高的力学性能，即接头的常温和高温拉伸性能均达到TZM母材相应性能的70%以上。
本申请通过连接后受控冷却过程，消除了连接过程中形成的应力，避免了由于残余应力过大导致的接头变形或裂纹现象。
本申请连接温度较低（1250-1350℃），低于钛锆钼合金的再结晶温度，扩散连接后不影响TZM合金母材性能。
本申请采用真空扩散连接工艺，相对于放电等离子烧结(Spark PlasmaSintering, SPS)扩散连接工艺，不需要额外制作模具，不受模具尺寸限制，成本相对较低，且可开展较大截面工件的扩散连接。
上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请保护范畴。

Claims (10)

1.一种以难熔金属为中间层的钛锆钼合金真空扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
对钛锆钼合金的待连接面进行机械加工、预磨、抛光和超声波清洗并干燥，得到所述钛锆钼合金的经过处理的待连接面，其中钛锆钼合金中碳含量为0.01wt%-0.015wt%；
对铌箔或钽箔进行酸洗、超声波清洗并干燥，得到经过处理的铌箔或钽箔，其中，所述铌箔或钽箔的厚度为60-100微米、纯度为≥99.5%；
将所述经过处理的铌箔或钽箔装配在所述钛锆钼合金的所述经过处理的待连接面之间，得到装配体；
借助于真空扩散炉，在真空度为10-2-10-3Pa的条件下，以受控的方式加热所述装配体至1250-1350℃的连接温度，
其中，在所述真空扩散炉从室温加热至1000℃的过程中，将加热升温速率控制为5-10℃/分钟，当所述真空扩散炉达到1000℃时，在该温度下进行15-45分钟的保温，在所述真空扩散炉从1000℃至所述连接温度过程中，将所述加热升温速率控制为1-3℃/分钟；
当所述真空扩散炉达到所述连接温度时，通过压头对所述真空扩散炉中的所述装配体轴向施加6-12MPa的连接压力，然后在所述连接温度下保温2-6小时，以得到钛锆钼合金接头；
在1150-1250℃的均匀化温度、真空或惰性气体保护的条件下保温所述钛锆钼合金接头2-10小时，以均匀化所述接头的成分及组织；以及
冷却经过均匀化的所述钛锆钼合金接头，以得到钛锆钼合金的扩散连接接头，其中，在从所述均匀化温度冷却至1000℃的过程中，将冷却降温速率控制为2-10℃/分钟，在从1000℃冷却至500℃的过程中，将所述冷却降温速率控制为8-20℃/分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述机械加工是将所述钛锆钼合金的待连接面的粗糙度Ra机械加工至0.4-0.8，并且使得所述钛锆钼合金的待连接面与所述钛锆钼合金与所述压头接触的加压面之间的平行度小于0.02毫米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述预磨是利用依次用1000、2000和3000粒度号的砂纸进行的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述钛锆钼合金的待连接面进行所述抛光是利用抛光布抛光所述钛锆钼合金的待连接面，使得所述钛锆钼合金的待连接面的粗糙度Ra为0.2至0.4。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对铌箔进行酸洗是利用10wt%盐酸浸泡所述铌箔5-10分钟，所述对铌箔进行超声波清洗是利用酒精或丙酮进行的，并且所述干燥是自然风干。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述真空扩散炉从室温加热至1000℃的过程中，将加热升温速率控制为6-8℃/分钟，当所述真空扩散炉达到1000℃时，在该温度下进行30-40分钟的保温，在所述真空扩散炉从1000℃至所述连接温度过程中，将升温速率控制为2-3℃/分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接温度为1290-1350℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接压力为7-10MPa，在所述连接温度下保温3-5小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在1180-1220℃的均匀化温度、真空或惰性气体保护的条件下保温所述钛锆钼合金接头3-5小时。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在从所述均匀化温度冷却至1000℃的过程中，将冷却降温速率控制为2-6℃/分钟，在从1000℃冷却至500℃的过程中，将冷却降温速率控制为10-15℃/分钟。
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