本發明涉及一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；屬于復合材料制備技術領域。

背景技術：

鎢具有高密度、高硬度、高強度、耐高溫和耐腐蝕等優異特性，被廣泛應用于航空航天、武器裝備、能源和電子等領域。由于鎢的本征脆性和制備方法的限制，難以獲得大尺寸以及形狀復雜的純鎢構件，發展鎢/鋼復合結構來替代全鎢結構不但能增加部件的使用便利性，還能綜合發揮各連接材料的性能優勢。如在磁約束核聚變堆實驗裝置中，中子輻照和高的熱、力載荷要求耐高溫、低活性的材料應用于偏濾器材料，鎢與低活性鋼是理想的偏濾器候選材料。然而，要組成一個完整的偏濾器部件，涉及到鎢與低合金鋼的連接。但是，鎢與鋼的熱物理性能和力學性能差異較大，導致鎢與鋼的焊接性差，連接質量不高，在高的熱力負荷作用下，容易發生破壞失效。

目前，鎢與鋼的連接技術發展起來的主要有釬焊和真空擴散焊。文獻“developmentofrapidlyquenchedbrazingfoilstojointungstenalloyswithferriticsteel,kalinba,fedotovvt,sevrjukovon,etal:journalofnuclearmaterials.2004,329-333:p.1544-1548”采用非晶態高溫釬料實現了鎢與鋼的釬焊連接，但焊接樣品經熱循環試驗，極易在靠近焊縫處的鎢基體材料內產生裂紋，這與鎢/鋼釬焊連接件內存在較大的殘余應力有關。

真空擴散連接技術由于具有低溫連接、高溫使用等優良的連接實用性，成為連接異種材料最有效的方法之一。鎢與鋼擴散連接時，由于鎢與鋼之間大的熱物理性能差異，常通過添加中間層來改善連接接頭界面組織結構和應力狀態，以提高連接接頭質量。文獻“effectofjoiningtemperatureonthemicrostructureandstrengthoftungsten/ferriticsteeljointsdiffusionbondedwithanickelinterlayer,zhongzh,jungh,hinokit,kohyamaa.:journalofmaterialsprocessingtechnology2010；210:p.1805-1810.”和“effectofholdingtimeonthemicrostructureandstrengthoftungsten/ferriticsteeljointsdiffusionbondedwithanickelinterlayer,zhongzh,hinokit,kohyamaa.:materialsscienceandengineeringa2009；518:p.167-173.”通過添加ni中間層來擴散連接鎢與鋼，雖然中間層ni具有一定的緩解殘余應力作用，但所制得的鎢/ni/鋼連接接頭界面易生成ni4w脆性相，連接件性能不高。文獻“diffusionbondingbetweenwandeurofer97usingvinterlayer,basukiww,aktaaj.:journalofnuclearmaterials2012；429:p.335-340.”和“investigationoftungsten/eurofer97diffusionbondingusingnbinterlayer,basukiww,aktaaj.:fusionengineeringanddesign2011；86:p.2585-2588.”分別采用v和nb作中間層來擴散連接鎢與鋼，但連接件焊縫處仍形成了大量金屬碳化物(nb2c、nb6c5或v2c)等脆性相，連接質量有待進一步改善。

綜上所述，鎢/鋼焊接時由于鎢與鋼之間大的熱物理性能差異，導致焊接后殘余應力大，焊縫處易生成高硬脆性金屬間化合物等有害相，造成連接件質量不高。目前，還沒有比較成熟的工藝能實現鎢與鋼的高性能連接。此外，核聚變堆的高熱負荷環境對連接件的界面熱穩定性提出了更高要求，提高鎢/鋼連接件在熱循環載荷作用下的可靠性至關重要。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供了一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法，有效解決了鎢/鋼焊接時殘余應力大，及焊縫處易生成脆性金屬間化合物等有害相帶來的界面熱穩定性差的問題，大大提高了鎢/鋼復合結構件在熱循環載荷作用下的可靠性。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；包括以下步驟：

步驟一

按質量比，ni：fe＝7:3配取ni粉、fe粉，將配取的ni粉、fe粉機械混合均勻，得到備用粉；

步驟二

將備用粉壓制成型，得到壓坯；

步驟三

將步驟二所得壓坯與表面清潔的鎢基體材料進行疊層后，置于真空熱壓爐中進行預合金化表面改性，得到半成品；

所述預合金化表面改性為：

首先將爐溫升至1000～1200℃，保溫30～120min，并在保溫過程中加載5～10mpa的連接壓力，隨后卸載壓力，繼續升溫至1480～1550℃、優選為1500℃，保溫30～60min，最后隨爐冷至室溫，在整個過程中，保持爐內真空度為1～5×10^-3pa；

步驟四

將步驟三所得半成品與鋼基體材料，按鎢基體材料/壓坯/鋼基體材料的模式進行堆疊；然后對其進行真空焊接；得到成品；所述真空焊接時，控制溫度為850～1000℃、施加在半成品與鋼基體材料上的壓力為5～20mpa。即半成品中，帶有壓坯的一端直接和預焊接的鋼基體材料接觸。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟一中，所述ni粉、fe粉的粒度均為1～5μm。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟一中，所述備用粉的晶粒尺寸為20～300nm。

在工業化應用時，將ni、fe元素粉末按質量配比為7:3稱量，置于行星式高能球磨機中進行機械合金化處理，獲得納米級ni—fe預合金混合粉末，即為備用粉末。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟二中，壓坯的厚度為2-4mm、優選為3mm。

在工業化應用時，采用壓制成型油壓機將上述備用粉壓制成厚約3mm的圓片壓坯；

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟三中，鎢基體材料選自純鎢、w-la2o3合金、w-y2o3合金、w-tic合金、w-zrc合金、w-y合金、w-mo合金、w-re合金、w-k合金、w-cnt合金中的一種。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟三中，所述預合金化表面改性的工藝為：熱壓燒結和高溫熔覆工藝。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟四中，鋼基體材料選自結構鋼、工具鋼、不銹鋼中的一種。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；步驟四中，所述真空焊接為：首先采用5～20℃/min的升溫速率升溫至400～600℃，保溫10～30min，然后以10～30℃/min的升溫速率繼續升溫至850～1000℃，保溫30～120min，并在保溫過程中加載5～20mpa的連接壓力，隨后以3～5℃/min的冷卻速率將溫度降低到400～600℃，并保溫60～180min，最后隨爐冷至室溫，在整個連接過程中，保持爐內真空度為1～5×10^-3pa。

本發明一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法；所得成品經歷80次冷熱循環后，界面無微裂紋產生；所述冷熱循環為由室溫升溫至750℃，然后再降溫至室溫。

原理和優勢

本發明設計了“鎢表面梯度合金化”的預合金化結構，并通過工藝調控將該結構應用于鎢/鋼連接材料中，取得了意想不到的效果。通過本發明所設計的結構以及與其相匹配的工藝可大幅度提升鎢/鋼連接件的熱疲勞性能(可經受高達600℃的冷熱循環100次、750℃的冷熱循環80次)；其可能原因在于：(1)預合金粉末原料采用ω(ni)/ω(fe)＝7/3成分設計，將w原子與ni、fe原子發生擴散反應時生成脆性相的概率降到了極低，同時極易形成具有良好的強度和延性的xw-7ni-3fe預合金化層；(2)采用真空熱壓可實現鎢基體材料與ni-fe合金粉末壓坯的擴散連接，結合高溫熔覆工藝不僅獲得了高致密的預合金化層，而且鎢基體中w原子與ni-fe合金中ni、fe原子之間的相互擴散與滲透得到進一步加強，同時得益于納米級ni—fe預合金混合粉末優異的擴散活性，大大提高了預合金化層與鎢基體的冶金結合能力；(3)由于鎢基體與ni-fe合金層之間原子的充分擴散與滲透，預合金化層中w、ni、fe原子濃度沿鎢表面處理的軸向方向呈梯度分布(如w原子在預合金化層中濃度沿遠離鎢基體方向逐漸降低)，從而在鎢表面獲得了具有成分梯度結構的xw-7ni-3fe預合金化層。這種梯度合金化層不僅具有優異的強度和延性，而且與鋼具有良好的焊接性，同時得益于成分梯度化，預合金化層的熱物理性能也呈梯度分布，有利于減小鎢/鋼連接時殘余應力的產生，大大改善鎢/鋼連接質量。

本發明提出的基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法，在各參數的協同作用下，解決了現有鎢/鋼焊接中的硬脆相、熱應力等連接質量問題，制得的鎢/鋼復合結構件界面無缺陷、熱疲勞性能好、界面穩定性高；此外，本發明工藝操作簡便，接頭處金屬無明顯形變。

附圖說明

附圖1為本發明實施例1制備的鎢/鋼復合材料結合界面的掃描電鏡照片。

附圖2為本發明制備過程示意圖。

具體實施方式

以下結合實施例旨在進一步說明本發明，而非限制本發明。

實施例1

本實施方式的一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法是按如下步驟進行的：

一、納米級ni—fe預合金混合粉末制備：將ni、fe元素粉末按質量配比為7:3稱量，置于行星式高能球磨機中進行機械合金化處理，獲得納米級ni—fe預合金混合粉末；

二、壓制成型：將球磨得到的ni—fe預合金混合粉末在油壓機上進行壓制，成型獲得厚約3mm的圓片壓坯；

三、表面改性：首先將鎢基體材料與ni—fe預合金混合粉末壓坯進行疊層裝配，并置于真空熱壓爐爐中，隨后將爐溫升至1100℃，保溫60min，并在保溫過程中加載5mpa的連接壓力，再卸載壓力，繼續升溫至1500℃，保溫60min，最后隨爐冷至室溫，在整個過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa；

四、擴散連接：將經表面改性的鎢基體材料與鋼基體材料疊層置于真空焊接爐中，首先采用10℃/min的升溫速率升溫至400℃，保溫30min，然后以20℃/min的升溫速率繼續升溫至1000℃，保溫60min，并在保溫過程中加載5mpa的連接壓力，隨后以5℃/min的冷卻速率將溫度降低到600℃，并保溫60min，最后隨爐冷至室溫，在整個連接過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa，即完成鎢與鋼的擴散連接。

本實施方式所得鎢/鋼連接件界面熱穩定性好，與傳統鎢/鋼釬焊方法所得鎢/鋼連接件在經受30次從室溫到700℃的冷熱循環即產生微裂紋相比，可經受高達750℃的冷熱循環80次，且界面處無微裂紋出現；這說明所得成品具有良好的耐高溫熱疲勞性能。

對比例1

其他條件均與實施例1一致，不同之處在于不進行表面改性；直接采用鎢基體材料/壓坯/鋼基體材料的“三明治”結構進行裝配后，按擴散連接工藝進行且在1000℃，保溫180min；所得成品經750℃的冷熱循環20次后即產生微裂紋。

實施例2

本實施方式的一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法是按如下步驟進行的：

一、納米級ni—fe預合金混合粉末制備：將ni、fe元素粉末按質量配比為7:3稱量，置于行星式高能球磨機中進行機械合金化處理，獲得納米級ni—fe預合金混合粉末；

二、壓制成型：將球磨得到的ni—fe預合金混合粉末在油壓機上進行壓制，成型獲得厚約3mm的圓片壓坯；

三、表面改性：首先將鎢基體材料與ni—fe預合金混合粉末壓坯進行疊層裝配，并置于真空熱壓爐爐中，隨后將爐溫升至1000℃，保溫60min，并在保溫過程中加載10mpa的連接壓力，再卸載壓力，繼續升溫至1550℃，保溫30min，最后隨爐冷至室溫，在整個過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa；

四、擴散連接：將經表面改性的鎢基體材料與鋼基體材料疊層置于真空焊接爐中，首先采用5℃/min的升溫速率升溫至400℃，保溫10min，然后以10℃/min的升溫速率繼續升溫至950℃，保溫60min，并在保溫過程中加載15mpa的連接壓力，隨后以3℃/min的冷卻速率將溫度降低到600℃，并保溫120min，最后隨爐冷至室溫，在整個連接過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa，即完成鎢與鋼的擴散連接。

本實施方式所得鎢/鋼連接件界面熱穩定性好，可經受高達650℃的冷熱循環100次，且界面處無微裂紋出現；這說明所得成品具有良好的耐高溫熱疲勞性能。

實施例3

本實施方式的一種基于鎢表面梯度合金化的鎢/鋼擴散連接方法是按如下步驟進行的：

一、納米級ni—fe預合金混合粉末制備：將ni、fe元素粉末按質量配比為7:3稱量，置于行星式高能球磨機中進行機械合金化處理，獲得納米級ni—fe預合金混合粉末；

二、壓制成型：將球磨得到的ni—fe預合金混合粉末在油壓機上進行壓制，成型獲得厚約3mm的圓片壓坯；

三、表面改性：首先將鎢基體材料與ni—fe預合金混合粉末壓坯進行疊層裝配，并置于真空熱壓爐爐中，隨后將爐溫升至1200℃，保溫30min，并在保溫過程中加載5mpa的連接壓力，再卸載壓力，繼續升溫至1480℃，保溫90min，最后隨爐冷至室溫，在整個過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa；

四、擴散連接：將經表面改性的鎢基體材料與鋼基體材料疊層置于真空焊接爐中，首先采用15℃/min的升溫速率升溫至600℃，保溫30min，然后以30℃/min的升溫速率繼續升溫至850℃，保溫60min，并在保溫過程中加載20mpa的連接壓力，隨后以5℃/min的冷卻速率將溫度降低到400℃，并保溫60min，最后隨爐冷至室溫，在整個連接過程中，保持爐內真空度為1×10^-3pa，即完成鎢與鋼的擴散連接。

本實施方式所得鎢/鋼連接件界面熱穩定性好，可經受高達700℃的冷熱循環90次，且界面處無微裂紋出現；這說明所得成品具有良好的耐高溫熱疲勞性能。