CN114932283A - 一种石墨和tzm合金的共晶反应钎焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括：将TZM合金、石墨的焊接面打磨、抛光、清洗；将V箔、Zr箔酸洗后清洗；将上述处理后的石墨、Zr箔、V箔、TZM合金依次放入模具中，放上W块后放入管式烧结炉中，抽真空后通流动的氩气；从室温以8‑13℃/min的速率升到980‑1050℃保温15‑30min，再以3‑6℃/min的速率升到焊接温度保温；再以3‑6℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温完成钎焊。本发明利用Zr箔和V箔连接石墨和TZM合金，利用V和Zr形成熔点为1265℃的共晶体，使钎焊温度低，且不生成脆性的金属间化合物，提高了接头的力学性能。

Description

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺

技术领域

本发明涉及异种材料焊接技术领域，具体涉及一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺。

背景技术

TZM合金是一种应用最为广泛的钼合金，在Ti和Zr的作用下，钼元素得到强化。因此TZM合金具备熔点高，强度大，线膨胀系数小、蒸汽压低等优异性能，从而在现代核能、航空航天和医疗工程中得到广泛应用。石墨由于特殊的结构，是一种低原子量材料，具有相对密度较低，高熔点(3850℃)，高热传导性，高热容量及优良的耐腐蚀性等许多优点。将石墨与TZM合金组成复合连接件，利用石墨的散热性能好，密度低的优点，尤其在一些高速旋转部件上，保证散热的同时降低了部件的质量，例如一些X射线靶血管造影和计算机断层扫描(CT)机中通过将石墨盘钎焊到钼靶上以进行散热，从而提高X射线管的功率。因而TZM与石墨焊接后的复合连接件广泛应用于航空、航天、电子、核工业等诸多领域。

石墨与金属的连接方法有机械连接、粘接、钎焊、扩散焊等，其中研究最多、应用最广的焊接方法是钎焊。石墨主要含有共价键，表现出非常稳定的电子配位，很难被含金属键的金属钎料润湿，大多数的钎料在石墨表面只形成球珠，很少或根本不产生润湿，导致直接钎焊存在一定难度。因此，必须用含有活性元素Ti、Zr、Hf、Pd等钎料在真空中直接钎焊石墨。李鹏等在《Ag-Cu-Ti活性钎料真空钎焊钼和石墨结合质量研究》(电焊机，2009，11(39)：19-21)中成功连接了石墨和钼合金，剪切强度小于15Mpa，但这种钎料无法在高温环境中服役。公开号为CN109048030A的中国专利申请文献中公开了一种TZM与石墨异种材料的SPS扩散焊接方法，其是以Ti箔作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术对TZM合金与石墨在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，获得TZM合金与石墨的连接件，得到的连接件结合强度高、散热性能好、抗热冲击性好，接头室温剪切强度可达49.0MPa，但是其使用的SPS设备价格昂贵，且一炉只能制备一个样品，无法规模化运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种钎焊温度低、成本低的石墨和TZM合金钎焊工艺。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

S1、取待焊接的TZM合金和石墨，对TZM合金和石墨的待焊接面进行打磨、抛光；将V箔和Zr箔进行酸洗；将抛光后的TZM合金、石墨以及酸洗后的V箔和Zr箔进行清洗；

S2、将经S1处理后的石墨、Zr箔、V箔、TZM合金依次放入模具中，然后放上W块提供一定的压力得到装配好的工件；

S3、将S2中装配好的工件放入管式烧结炉的炉腔中，抽真空后通入流动的氩气保护；从室温以8-13℃/min的速率升到980-1050℃，然后保温15-30分钟，再以3-6℃/min的速率升到焊接温度，保温一定时间；再以3-6℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。

有益效果：本发明提供了一种利用Zr箔和V箔连接石墨和TZM的共晶反应钎焊工艺，利用V元素和Zr元素形成熔点为1265℃的共晶体，解决了现有连接技术中单独使用Zr箔和V箔钎焊温度过高，损害TZM力学性能的问题。此外，Mo元素和V元素可以生成无限固溶体，不生成脆性的金属间化合物，提高了钎焊接头的力学性能。

优选地，在S1中，所述酸洗是指利用体积浓度为3％-6％的稀盐酸浸泡；所述酸洗的时间为8-15min。

优选地，在S1中，所述酸洗是指利用体积浓度为5％的稀盐酸浸泡；所述酸洗的时间为10min。

优选地，在S1中，所述清洗为在有机溶剂中进行的超声清洗；所述超声清洗的时间为20-40min。

优选地，在S1中，所述清洗为在有机溶剂中进行的超声清洗；所述超声清洗的时间为30min。

优选地，在S1中，所述V箔的厚度为50um，纯度≥99.9％。

优选地，在S1中，所述Zr箔的厚度为50-150um，纯度≥99.9％。

优选地，在S2中，所述W块提供的压力为5N-10N。

优选地，在S3中，抽真空至≤-0.1MPa后通入流动氩气保护。

优选地，在S3中，所述氩气的纯度≥99.99％。

优选地，在S3中，从室温以10℃/min的速率升到1000℃，然后保温20分钟，再以5℃/min的速率升到焊接温度，保温一定时间；再以5℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。

优选地，在S3中，所述焊接温度为1270-1350℃，保温时间为5-20分钟。

本发明提供了一种利用Zr箔和V箔连接石墨和TZM的共晶反应钎焊工艺，利用V元素和Zr元素形成熔点为1265℃的共晶体，解决了现有连接技术中单独使用Zr箔和V箔钎焊温度过高，损害TZM力学性能的问题。此外，Mo元素和V元素可以生成无限固溶体，不生成脆性的金属间化合物，提高了钎焊接头的力学性能。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明得到的TZM/石墨异种材料的焊接接头，使用钒箔和锆箔共同作为中间层，由于元素扩散，在升温阶段形成了低熔点的共晶体，从而在远低于钒和锆熔点(1860℃)温度下产生液相润湿石墨，得到了冶金结合良好的接头。相比较使用纯Ti箔，由于Zr和石墨的反应没有Ti和石墨反应剧烈，故不会产生大量的碳化物脆性相，并且焊接温度也没有纯Ti高。相比较纯Zr箔，V和Mo可以无限固溶，不会产生大量Mo-Zr金属间化合物等脆性相，因此石墨/TZM接头的结合强度高。并且共晶反应钎焊相对于常规钎焊工艺，具有焊接温度低于中间层熔点，无需钎剂等优点，相比于扩散焊，具有需求压力小，对环境以及工件表面要求低的优点。其次使用的纯Zr箔和V箔价格低廉，获得渠道多，简单去除氧化层后可以直接使用，适合工厂规模化使用。而管式烧结炉是一种价格低廉的烧结炉，并且操作简单，一炉能制备多个样品，能规模化运用。

附图说明

图1为本发明TZM合金、石墨、钒箔(V箔)、锆箔(Zr箔)装配示意图；

图2为本发明中V-Zr的二元相图；

图3为本发明实施例3所得接头的扫描电镜图；

图4为本发明实施例1-5中所得接头的剪切强度-位移曲线图。

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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例1

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

将待焊接的TZM合金和石墨的焊接面使用金相砂纸打磨除去表面氧化层，再使用W2.5的金刚石研磨膏抛光到镜面，将厚度为50um、纯度≥99.9％的钒箔和厚度为50um、纯度≥99.9％的锆箔放入5％体积浓度的稀盐酸中浸泡10分钟，然后将上述处理后的TZM合金、石墨、钒箔、锆箔在丙酮中超声清洗30分钟。取石墨模具，如图1所示，将处理过的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔按照从上到下依次为TZM合金/厚度为50um钒箔/厚度为50um锆箔/石墨的顺序放入石墨模具当中，防止样品错位，然后放上钨块提供5N的压力；装配好的石墨模具放入管式烧结炉的炉腔当中，抽真空到-0.1MPa后充入流动的纯度≥99.99％的高纯氩气保护，将管式烧结炉从室温以10℃/min的速率升到1000℃，然后保温20分钟，使炉内温度均匀，防止存在温度梯度。再以5℃/min的速率升到1280℃，保温10分钟，再以5℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。通过万能力学试验机进行剪切强度测试，强度-位移曲线如图4所示，由图4可知，接头剪切强度为20.1Mpa。

实施例2

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

将待焊接的TZM合金和石墨的焊接面使用金相砂纸打磨除去表面氧化层，再使用W2.5的金刚石研磨膏抛光到镜面，将厚度为50um、纯度≥99.9％的钒箔和厚度为100um、纯度≥99.9％的锆箔放入5％体积浓度的稀盐酸中浸泡10分钟；然后将上述处理后的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔在丙酮中超声清洗30分钟。取石墨模具，如图1所示，将处理过的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔按照从上到下依次为TZM合金/厚度为50um的钒箔/厚度为100um的锆箔/石墨的顺序放入石墨模具当中，防止样品错位，然后放上钨块提供10N的压力。装配好的石墨模具放入管式烧结炉的炉腔当中，抽真空到-0.1MPa后充入流动的纯度≥99.99％的高纯氩气保护，将管式烧结炉从室温以10℃/min的速率升到1000℃，然后保温20分钟，使炉内温度均匀，防止存在温度梯度。再以5℃/min的速率升到1320℃，保温10分钟，再以5℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。通过万能力学试验机进行剪切强度测试，强度-位移曲线如图4所示，由图4得出接头剪切强度为22.1Mpa。

实施例3

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

将待焊接的TZM合金和石墨的焊接面使用金相砂纸打磨除去表面氧化层，再使用W2.5的金刚石研磨膏抛光到镜面，将厚度为50um、纯度≥99.9％的钒箔和厚度为150um、纯度≥99.9％的锆箔放入5％体积浓度的稀盐酸中浸泡10分钟，然后将上述处理后的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔在丙酮中超声清洗30分钟。取石墨模具，将处理过的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔按照从上到下依次为TZM合金/厚度为50um的钒箔/厚度为150um的锆箔/石墨的顺序放入石墨模具当中，如图1所示，防止样品错位，再放上钨块提供8N的压力。装配好的石墨模具放入管式烧结炉的炉腔当中，抽真空到-0.1MPa后充入流动的、纯度≥99.99％的高纯氩气保护，将管式烧结炉从室温以10℃/min的速率升到1000℃，然后保温20分钟，使炉内温度均匀，防止存在温度梯度。再以5℃/min的速率升到1350℃，保温5分钟，再以5℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。从图3可以看出中间层和石墨与钼合金接触紧密，无裂纹孔洞，且Zr箔和V箔由于元素扩散形成一个整体，消除了箔片的间隙，表明接头具有良好的冶金结合。通过万能力学试验机进行剪切强度测试，强度-位移曲线如图4所示，由图4得出接头剪切强度为27.1Mpa。

实施例4

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

将待焊接的TZM合金和石墨的焊接面使用金相砂纸打磨除去表面氧化层，再使用W2.5的金刚石研磨膏抛光到镜面，将厚度为50um、纯度≥99.9％的钒箔和厚度为150um、纯度≥99.9％的锆箔放入3％体积浓度的稀盐酸中浸泡8分钟，然后将上述处理后的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔在丙酮中超声清洗40分钟。取石墨模具，如图1所示，将处理过的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔按照从上到下依次为TZM合金/厚度为50um的钒箔/厚度为150um的锆箔/石墨的顺序放入石墨模具当中，防止样品错位，再放上钨块提供5N的压力。装配好的石墨模具放入管式烧结炉的炉腔当中，抽真空到-0.1MPa后充入流动的、纯度≥99.99％的高纯氩气保护，将管式烧结炉从室温以13℃/min的速率升到980℃，然后保温30分钟，使炉内温度均匀，防止存在温度梯度。再以3℃/min的速率升到1270℃，保温20分钟，再以3℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。通过万能力学试验机进行剪切强度测试，强度-位移曲线如图4所示，由图4得出接头剪切强度为18.3Mpa。

实施例5

一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，包括以下步骤：

将待焊接的TZM合金和石墨的焊接面使用金相砂纸打磨除去表面氧化层，再使用W2.5的金刚石研磨膏抛光到镜面，将厚度为50um、纯度≥99.9％的钒箔和厚度为150um、纯度≥99.9％的锆箔放入6％体积浓度的稀盐酸中浸泡15分钟，然后将上述处理后的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔在丙酮中超声清洗20分钟。取石墨模具，如图1所示，将处理过的TZM合金、石墨、钒箔和锆箔按照从上到下依次为TZM合金/厚度为50um的钒箔/厚度为150um的锆箔/石墨的顺序放入石墨模具当中，防止样品错位，再放上钨块提供10N的压力。装配好的石墨模具放入管式烧结炉的炉腔当中，抽真空到-0.1MPa后充入流动的、纯度≥99.99％的高纯氩气保护，将管式烧结炉从室温以8℃/min的速率升到1050℃，然后保温15分钟，使炉内温度均匀，防止存在温度梯度。再以6℃/min的速率升到1300℃，保温5分钟，再以6℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。通过万能力学试验机进行剪切强度测试，强度-位移曲线如图4所示，由图4得出接头剪切强度为19.5Mpa。

对比例1

李鹏等在论文《Ag-Cu-Ti活性钎料真空钎焊钼和石墨结合质量研究》(电焊机，2009，11(39)：19-21)中成功连接了石墨和钼合金，得到的钎焊接头剪切强度低于15MPa。

对比例2

公布号为CN114453693A的中国专利申请文献中公开了一种纯锆层连接TZM合金和石墨的接触反应钎焊工艺，其中使用纯Zr连接了TZM合金和石墨，但是钎焊温度超过1550度，这会对TZM合金造成损伤，导致钎焊接头只能用于功能材料，不能用于结构材料。

对比例3

公布号为CN113770467A的中国专利申请文献公开了一种TZM合金和石墨的SPS无压钎焊方法，其中使用的设备为SPS，首先该设备昂贵，其次一次只能烧结一个样，并且对样品尺寸要求较高，难以规模化使用。

本发明提供了一种利用Zr箔和V箔连接石墨和TZM的共晶反应钎焊工艺，利用V元素和Zr元素形成熔点为1265℃的共晶体，如图2所示，解决了现有连接技术中单独使用Zr箔和V箔钎焊温度过高，损害TZM力学性能的问题。此外，Mo元素和V元素可以生成无限固溶体，不生成脆性的金属间化合物，提高了钎焊接头的力学性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1、取待焊接的TZM合金和石墨，对TZM合金和石墨的待焊接面进行打磨、抛光；将V箔和Zr箔进行酸洗；将抛光后的TZM合金、石墨以及酸洗后的V箔和Zr箔进行清洗；

S2、将经S1处理后的石墨、Zr箔、V箔、TZM合金依次放入模具中，然后放上W块提供一定的压力得到装配好的工件；

S3、将S2中装配好的工件放入管式烧结炉的炉腔中，抽真空后通入流动的氩气保护；从室温以8-13℃/min的速率升到980-1050℃，然后保温15-30分钟，再以3-6℃/min的速率升到焊接温度，保温一定时间；再以3-6℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。

2.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S1中，所述酸洗是指利用体积浓度为3％-6％的稀盐酸浸泡；所述酸洗的时间为8-15min。

3.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S1中，所述清洗为在有机溶剂中进行的超声清洗；所述超声清洗的时间为20-40min。

4.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S1中，所述V箔的厚度为50um，纯度≥99.9％。

5.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S1中，所述Zr箔的厚度为50-150um，纯度≥99.9％。

6.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S2中，所述W块提供的压力为5N-10N。

7.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S3中，抽真空至≤-0.1MPa后通入流动的氩气保护。

8.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S3中，所述氩气的纯度≥99.99％。

9.根据权利要求1所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S3中，从室温以10℃/min的速率升到1000℃，然后保温20分钟，再以5℃/min的速率升到焊接温度，保温一定时间；再以5℃/min的速率降温到500℃后随炉冷却到室温，即完成TZM合金和石墨的共晶反应钎焊。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的石墨和TZM合金的共晶反应钎焊工艺，其特征在于：在S3中，所述焊接温度为1270-1350℃，保温时间为5-20分钟。

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