[发明专利]一种TZM与WRe异种难熔合金的SPS扩散焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种难熔合金的焊接方法，尤其涉及一种TZM与WRe异种难熔合金的焊接方法。

背景技术

TZM合金是以钼为基体添加合金元素(如Ti、Zr)而形成的难熔合金，具有高的再结晶温度、优异的高温力学性能和良好的抗腐蚀性能，在航空、航天、核能等领域得到了广泛应用，如：利用其优良的高温力学性能，可用于航天器的散热面板、火箭发动机的喷嘴、鱼雷发动机中承受高温的配气阀体等；利用其较高的熔点，可用于无缝不锈钢的穿孔顶头，高温炉的炉壁和热等静压机的隔热屏等高温结构材料；TZM合金在电子电气工业上应用也较多，如电子管阴极、栅极、高压整流原件半导体薄膜集成电路等；此外，在核能源设备上TZM合金也应用广泛，如辐射罩、支撑架、热交换器、轨条等。

WRe合金，是以钨为基体，铼在钨中溶解形成具有体心立方的固溶强化型钨铼合金，具有一系列优异的性能如：高熔点、高密度、高硬度、低热膨胀系数、良好的抗蚀性和抗氧化性能、优异的导电导热性能和射线吸收能力等优异性能。已成为武器装备、航空航天、原子能等国防工业领域和微电子信息、电气工程、机械加工等尖端技术领域的关键材料，例如：在兵器领域，可用于超高速动能穿甲弹；在核聚变领域，可用于聚变堆托克马克装置中的面向等离子体材料。

将TZM与WRe异种难熔合金有效连接，是拓展难熔合金在航空航天、核能、武器装备等领域中应用的关键。然而，由于这两种材料的物理、化学性能差异大(如熔点差异大)，使得两者之间的连接非常困难。目前主要采用熔焊、钎焊、固相扩散连接及瞬间液相连接来实现高温合金的连接。但这些方法存在许多不足：难于制得高结合强度的接头；对金属件表面的清洁度及设备真空度要求很高；固相扩散连接及瞬间液相连接所需温度高、保温时间长，导致两者间的连接耗时、耗能；熔焊容易产生裂纹；钎焊虽然连接温度较低，但由于钎料的熔点普遍较低，因此钎焊难于制得能在高温下使用的接头。

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)技术是利用强脉冲直流电流流经粉末或模具产生焦耳热而对粉末进行快速固结成形的一种新方法。近年来，该方法开始被用于焊接领域，能够实现同种材料(合金与合金、陶瓷与陶瓷)、异种材料(合金与陶瓷)。与传统的固相扩散焊接相比，SPS固相扩散焊接的优势不仅仅是加热速率快、能耗低，尤为重要的是SPS在传统固相扩散焊接所需的温度场和应力场的基础上引入了电场。在电场的作用下，电迁移效应可加速物质扩散。因此，采用SPS技术有望在较低温度和较短时间内实现对TZM与WRe异种难熔合金的有效连接。另一方面，TZM合金和WRe合金发生高温再结晶后力学性能会大幅下降。添加低熔点金属或合金作为中间过渡层可降低焊接温度，避免TZM合金和WRe合金焊接过程中发生再结晶。钒，熔点1890℃，和钼、钨均属于难熔金属体系，且钒与钼、钨可形成完全固溶体。因此，采用钒作为TZM合金与WRe合金扩散焊接的中间过渡层，有望降低焊接温度、避免母材发生再结晶(TZM合金和WRe合金的再结晶温度分别为1400℃和1750℃)，获得高质量的焊缝组织，进而提高焊接接头的力学性能。

发明内容

针对现有难熔合金，尤其是TZM合金与WRe合金连接技术的不足之处，本发明的目的在于将SPS技术应用于难熔合金的固态扩散连接，提供一种TZM与WRe异种难熔合金的快速高效焊接方法，通过加入钒箔作为中间过渡层，以降低焊接温度、避免母材再结晶，并在焊缝中通过原子互扩散形成完全固溶体，进而提高焊接接头的力学性能。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明TZM与WRe异种难熔合金的SPS扩散焊接方法，是以钒箔作为中间过渡层，通过SPS技术对TZM与WRe异种难熔合金进行固相扩散焊接，从而获得TZM与WRe异种难熔合金的连接件。具体包括如下步骤：

步骤1、

取待焊接的TZM合金和WRe合金，对TZM合金和WRe合金的待焊接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；

步骤2、

选用厚度在100～300μm、纯度不低于99％的钒箔作为中间过渡层，对钒箔进行酸洗、超声清洗并烘干；

步骤3、

取石墨模具，所述石墨模具包括上压头、下压头及石墨阴模；

将处理好的TZM合金、钒箔、WRe合金自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使钒箔位于石墨阴模高度的正中间位置；

步骤4、

将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至不高于10Pa，然后通入直流脉冲电流，对TZM和WRe异种难熔合金进行扩散焊接，焊接工艺为：