CN102059449B - 钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，该方法步骤包括：（1）工件表面清理步骤：将钨合金、钽合金加工到规定尺寸，除去它们和中间层-镍箔待焊面的氧化层；（2）工件组装步骤：将中间层-镍箔置于钨合金与钽合金之间，构造被焊接工件；（3）真空扩散焊接步骤：将被焊接工件放入真空扩散焊接炉内，加热、保温，当保温开始时对被焊接工件施加轴向压力，保温结束后卸除压力并随炉冷却。本发明能够克服现有焊接技术无法在低温下实现钨合金与钽合金的高质量扩散焊接的问题，特别适合钨合金和钽合金之间在低温下可靠且精密的扩散焊接，所制备的钨钽焊接体可以用于动高压物理和核聚变等研究领域。

Description

钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属钨合金与钽合金的焊接方法，特别适合钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法。

背景技术

高密度钨合金具有密度大，强度高、延展性好、机械加工性能好、线膨胀系数小、热导率大、抗氧化和抗腐蚀性能好、焊接性好等一系列优异的性能。这些优异的性能使其在尖端科技领域、军事和民用工业中得到了广泛的应用，例如平衡配重元件、惯用元件、射线屏蔽材料等。其中，高密度钨合金刚性较好，形状容易保持，是理想的核燃料贮存器与防辐射的屏蔽材料。同时，W-Ni-Fe合金具有一系列优异的性能，如熔点高、良好的冲击韧性、高塑性和低屈服强度，可以用来制造一种薄壁形大链套壳体，作为原子能爆炸使用的功能复合材料，保证仪器的正常工作。

钽合金具有高密度、高熔点、耐蚀、优异的高温强度、良好的加工性、可焊性及低的塑/脆转变温度、优异的动态力学性能及表面形成致密、稳定、高介电常数的无定形氧化膜等特点，被广泛应用于电子、化工、航天航空、武器等领域。因此为了更加充分地发挥高密度钨合金以及钽合金的各自优势，使其在高科技领域如航天航空、动高压物理、核聚变、武器等领域中有着重要的应用，需采用有效的焊接技术，获得高品质的高密度钨合金与钽合金异种金属材料的焊接接头。

钨合金和钽合金的直接焊接接头处存在缺陷导致抗腐蚀性能低，降低材料使用寿命；进一步提高焊接温度后，提高了焊接强度，但由于W与Ta的再结晶和晶粒粗化降低了材料的断裂韧性。而焊接温度的降低又会导致焊接强度的降低；同时，Ta在加热到200℃开始会发生氧化，500℃以上迅速氧化，并且有吸收氢、氧、氮的特点，而少量的气体杂质对它的组织结构和机械性能会产生强烈的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，以克服现有技术钨合金与钽合金直接焊接的不足，实现钨合金与钽合金之间在较低温度下的高强度连接，特别适用于钨合金薄板与钽合金薄板的低温扩散焊接。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其包括以下步骤：

（1）工件表面清理步骤：

采用平面磨的机械方法将钽合金片、钨合金片加工到规定的几何尺寸，用砂纸打磨它们和中间层-镍箔的待焊面，以除去氧化层，并且用丙酮超声清洗干净；

（2）工件组装步骤：

按照自下而上顺序组装，在WC硬质合金下压头上放置石墨阻焊层，钽合金片放置于石墨阻焊层上，然后放置镍箔，在镍箔上放置钨合金片，在钨合金片上放置起阻焊作用的石墨阻焊层，往上是WC硬质合金上压头，并套上WC硬质合金外套，形成组装好的待焊接工件；

（3）真空扩散焊接步骤：

将待焊接工件放在真空扩散焊接炉的石墨下压头上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头和石墨下压头之间，关闭真空室门，抽真空；当真空度不低于4.0×10^-3Pa时，开始加热，加热至810℃～930℃，保温10min～90min，在保温开始前对被焊接工件施加5MPa～30MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，得到钨钽焊接体。

在上述工件表面清理步骤中，所述钽合金片、钨合金片加工后的平行度优于0.05mm，用粒度1000#、1200＃和05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用丙酮超声清洗1min～10min后转入丙酮中存放。

所述钽合金片为TA1或TA2工业纯钽；所述钨合金片为93W-4.9Ni-2.1Fe钨合金。

在上述工件表面清理步骤中，所加镍箔用05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用丙酮超声清洗1 min～10min，然后转入丙酮中存放。

所述镍箔的厚度为5μm ~38μm，纯度≥99%。

在上述真空扩散焊接步骤中，加热时， 先按5℃～10℃/min的升温速率升温至710℃～800℃，然后以2℃～5℃/min的升温速率升至810℃～930℃。

本发明制备的钨钽焊接体用于动高压物理或核聚变等领域。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

可以实现钨合金与钽合金的高强度连接，平行度、平面度优于0.05mm，界面连接紧密，焊件平面性好，平行精度高，特别适用于钽合金薄板与钨合金薄板的扩散焊接。由于焊接温度低，且压力不高，而且采用真空扩散焊接方法，因此本发明操作简便、成本低、适用性强、便于推广应用。

研究表明，利用本发明制备出的93W/Ni/Ta扩散焊接界面由93W/Ni焊接界面和Ni/Ta焊接界面组成。其中，93W/Ni焊接界面由Ni/W界面和Ni/粘结相(Ni-Fe)界面组成；Ni/W界面处由固溶层Ni(W)和金属间化合物Ni₄W组成，Ni/粘结相(Ni-Fe)界面通过Ni的自扩散及Ni/Fe的互扩散组成。Ni/Ta焊接接头处的金属间化合物主要由Ni₃Ta和Ni₂Ta组成。93W/Ni/Ta扩散焊接界面处形成的各种固溶层和金属间化合物性能良好，故由本发明制备出的93W/Ni/Ta扩散焊接接头具有较高强度，接头强度可以达到244MPa。

总之，本发明能够克服现有技术无法在低温下实现钨合金与钽合金的高质量扩散焊接问题，特别适合钨合金和钽合金之间在低温下可靠且精密的扩散焊接，所制备的钨钽焊接体可以用于动高压物理、核聚变等研究领域。

附图说明

图1是本发明装配工艺图。

图2是本发明扩散焊接钨合金与钽合金的工艺流程图。

图3是本发明添加38μm镍箔的钨合金与钽合金扩散焊接界面的显微结构图。

图4是本发明添加5μm镍箔的钨合金与钽合金扩散焊接界面的显微结构图。

图中：1.石墨上压头； 2.钨合金片； 3.镍箔； 4.钽合金片； 5.石墨下压头； 6.WC硬质合金下压头； 7.WC硬质合金外套； 8.石墨阻焊层； 9.WC硬质合金上压头。

具体实施方式

本发明提供的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其工艺流程如图2所示：包括工件表面清理步骤、工件组装步骤和真空扩散焊接步骤。通过在钨合金和钽合金之间加入镍中间层进行真空扩散焊接，在93W/Ni/Ta焊接接头处形成一系列性能良好的金属间化合物，有效地提高焊接接头的强度，在真空条件下实现钨合金和钽合金的低温扩散焊接。

下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

选择厚度为38μm的镍箔作为焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA1工业纯钽圆片的中间层，扩散焊接工艺条件是：焊接温度930℃，保温时间10min，焊接压力30MPa。

一种采用镍中间层低温扩散焊接钨合金与钽合金的方法，包括以下步骤：

（1）工件表面清理：

焊件为直径23mm的93W-4.9Ni-2.1Fe合金和工业纯钽圆片；38μm镍箔中间层为纯度99.0%、直径23mm，焊前用05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将钨合金片和钽合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。

（2）工件组装：

按照自下而上顺序组装：参见图1，在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层8，钽合金片4放置于石墨阻焊层8上，然后放置镍箔3，在镍箔3上放置钨合金片2，在钨合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层8，往上是WC硬质合金上压头9，形成组装好的工件。

（3）真空扩散焊接：

将工件套上WC硬质合金外套7后放在真空扩散焊接炉的石墨下压头5上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头1和石墨下压头5之间，关闭真空室门，抽真空；然后在真空度不低于4.0×10^-3Pa的条件下，对工件升温；按10℃/min的升温速率升温至800℃，然后以5℃/min升至930℃，保温10min，当温度升至930℃时施加30MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。

本实施例中，其添加38μm镍中间层后扩散焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA1工业纯钽的焊接界面的显微结构如图3所示，与直接扩散焊接的93W/Ta焊接界面相比，添加镍箔后，焊接接头界面结合紧密，Ni/W与Ni/Ta界面处元素扩散充分，形成明显扩散层。剪切强度测试实验结果表明，添加38μm镍中间层的93W/Ni/Ta焊接接头强度达到192MPa，比未加Ni箔的93W/Ta直接焊接体的强度高出150MPa。

实施例2：

选择38μm镍箔作为连接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽圆片的中间层，扩散焊接工艺条件是：焊接温度810℃，保温时间90min，焊接压力5MPa。

一种采用镍中间层低温扩散焊接钨合金与钽合金的方法，包括以下步骤：

（1）工件表面清理：

焊件为直径50mm的93W-4.9Ni-2.1Fe合金和工业纯钽圆片，38μm镍中间层为纯度99.0%、直径50mm，焊前用05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗1min。用平面磨床将钨合金片和钽合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。

（2）工件组装：

按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层8，钽合金片4放置于石墨阻焊层8上，然后放置镍箔3，在镍箔3上放置钨合金片2，在钨合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层8，往上是WC硬质合金上压头9，形成组装好的工件。

（3）真空扩散焊接：

将工件套上WC硬质合金外套7后放在真空扩散焊接炉的石墨下压头5上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头1和石墨下压头5之间，关闭真空室门，抽真空；然后在真空度不低于4.0×10^-3Pa的条件下，对被焊工件升温；按5℃/min的升温速率升温至710℃，然后以2℃/min升至810℃，保温90min，当温度升至810℃时施加5MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的93W/Ni/Ta焊接界面结合紧密，93W/Ni与Ni/Ta界面处形成扩散层，界面平行性好，平面精度高。

本实施例中，其添加38μm镍中间层后扩散焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽的焊接界面的显微结构与直接扩散焊接的93W/Ta焊接界面相比，添加镍箔后，焊接接头界面结合紧密，Ni/93W与Ni/Ta界面处元素扩散充分，形成明显扩散层。剪切强度测试实验结果表明，添加38μm镍中间层的93W/Ni/Ta焊接接头强度达到163MPa，比未加Ni的93W/Ta直接焊接体的强度高出121MPa。

实施例3：

选择5μm镍箔作为连接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA1工业纯钽圆片的中间层，扩散连接工艺条件是：焊接温度930℃，保温时间10min，焊接压力5MPa。

一种采用镍中间层低温扩散焊接钨合金与钽合金的方法，包括以下步骤：

（1）工件表面清理：

焊件为直径50mm的93W-4.9Ni-2.1Fe合金和工业纯钽圆片，镍中间层为纯度99.0%、直径50mm，焊前用05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗1min。用平面磨床将钨合金片和钽合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗1min。

（2）工件组装：

按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层8，钽合金片4放置于石墨阻焊层8上，然后放置镍箔3，在镍箔3上放置钨合金片2，在钨合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层8，往上是WC硬质合金上压头9，形成组装好的工件。

（3）真空扩散焊接：

将工件套上WC硬质合金外套7后放在真空扩散焊接炉的石墨下压头5上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头1和石墨下压头5之间，关闭真空室门，抽真空；然后在真空度不低于4.0×10^-3Pa时，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至800℃，然后以5℃/min升至930℃，保温10min，当温度升至930℃时施加5MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的93W/Ni/Ta焊接接头结合紧密，93W/Ni与Ni/Ta之间形成扩散层，界面平行性好，平面精度高。

本实施例中，其添加5μm镍中间层后扩散焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA1工业纯钽的焊接界面的显微结构如图4所示，与直接扩散焊接的93W/Ta焊接界面相比，添加镍箔后，焊接接头界面结合紧密，Ni/W与Ni/Ta界面处元素扩散充分，形成明显扩散层。剪切强度测试实验结果表明，添加5μm镍中间层的93W/Ni/Ta焊接接头强度达到238MPa，比未加Ni的93W/Ta直接焊接体的强度高出196MPa。

实施例4：

选择5μm镍箔作为连接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽圆片的中间层，扩散焊接工艺条件是：焊接温度810℃，保温时间90min，焊接压力30MPa。

一种采用镍中间层低温扩散焊接钨合金与钽合金的方法，包括以下步骤：

（1）工件表面清理：

焊件为直径16mm的93W-4.9Ni-2.1Fe合金和工业纯钽圆片，镍中间层为纯度99.0%、直径16mm，焊前用05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗1min。用平面磨床将钨合金片和钽合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。

（2）工件组装：

按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层8，钽合金片4放置于石墨阻焊层8上，然后放置镍箔3，在镍箔3上放置钨合金片2，在钨合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层8，往上是WC硬质合金上压头9，形成组装好的工件。

（3）真空扩散焊接：

将工件套上WC硬质合金外套7后放在真空扩散焊接炉的石墨下压头5上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头1和石墨下压头5之间，关闭真空室门，抽真空；然后在真空度不低于4.0×10^-3Pa的条件下，对被焊工件升温；按5℃/min的升温速率升温至710℃，然后以2℃/min升至810℃，保温90min，当温度升至810℃时施加30MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到93W/Ni/Ta焊接接头结合紧密，93W/Ni与Ni/Ta焊接界面形成扩散层，界面结合紧密，平行性好，平面精度高。

本实施例中，其添加5μm镍中间层后扩散焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽的焊接界面的显微结构与直接扩散焊接的93W/Ta焊接界面相比，添加镍箔后，焊接接头界面结合紧密，Ni/93W与Ni/Ta界面处元素扩散充分，形成明显扩散层。剪切强度测试实验结果表明，添加5μm镍中间层的93W/Ni/Ta焊接接头强度达到155MPa，比未加Ni箔的93W/Ta直接焊接体的强度高出113MPa。

实施例5：

选择5μm镍箔作为连接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽圆片的中间层，扩散焊接工艺条件是：焊接温度870℃，保温时间60min，焊接压力20MPa。

一种采用镍中间层低温扩散焊接钨合金与钽合金的方法，包括以下步骤：

（1）工件表面清理：

焊件为直径23mm的93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽圆片，镍中间层为纯度99.0%、直径23mm，焊前用05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗1min。用平面磨床将钨合金片和钽合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。

（2）工件组装：

按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层8，钽合金片4放置于石墨阻焊层8上，然后放置镍箔3，在镍箔3上放置钨合金片2，在钨合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层8，往上是WC硬质合金上压头9，形成组装好的工件。

（3）真空扩散焊接：

将工件套上WC硬质合金外套7后放在真空扩散焊接炉的石墨下压头5上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头1和石墨下压头5之间，关闭真空室门，抽真空；然后在真空度不低于4.0×10^-3Pa的条件下，对被焊工件升温；按5℃/min的升温速率升温至770℃，然后以2℃/min升至870℃，保温60min，当温度升至870℃时施加20MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到93W/Ni/Ta焊接接头结合紧密，93W/Ni与Ni/Ta焊接界面形成扩散层，界面结合紧密，平行性好，平面精度高。

本实施例中，其添加5μm镍中间层后扩散焊接93W-4.9Ni-2.1Fe合金和TA2工业纯钽的焊接界面的显微结构与直接扩散焊接的93W/Ta焊接界面相比，添加镍箔后，焊接接头界面结合紧密，Ni/93W与Ni/Ta界面处元素扩散充分，形成明显扩散层。剪切强度测试实验结果表明，添加5μm镍中间层的93W/Ni/Ta焊接接头强度达到188MPa，比未加Ni箔的93W/Ta直接焊接体的强度高出146MPa。

上述实施例所制备的钨钽焊接体均能够应用于动高压物理或核聚变等研究领域。

Claims (7)

1.一种钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）工件表面清理步骤：

采用平面磨的机械方法将钽合金片（4）、钨合金片（2）加工到规定的几何尺寸，用砂纸打磨它们和镍箔（3）的待焊面，以除去氧化层，并且用丙酮超声清洗干净；

2）工件组装步骤：

按照自下而上顺序组装，在WC硬质合金下压头（6）上放置起阻焊作用的石墨阻焊层（8），钽合金片（4）放置于石墨阻焊层（8）上，然后放置镍箔（3），在镍箔（3）上放置钨合金片（2），在钨合金片（2）上放置石墨阻焊层（8），往上是WC硬质合金上压头（9），并套上WC硬质合金外套（7），形成组装好的待焊接工件；

3）真空扩散焊接步骤：

将待焊接工件放在真空扩散焊接炉的石墨下压头（5）上面，置于真空扩散焊接炉内的石墨上压头（1）和石墨下压头（5）之间，关闭真空室门，抽真空；当真空度不低于4.0×10^-3Pa时，开始加热，加热至810℃～930℃，保温10min～90min，在保温开始前对被焊接工件施加5MPa～30MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却，得到钨钽焊接体。

2.如权利要求1所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：在所述工件表面清理步骤中，所述钽合金片（4）、钨合金片（2）加工后的平行度优于0.05mm，用粒度1000#、1200＃和05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用丙酮超声清洗1min～10min后转入丙酮中存放。

3.如权利要求2所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述钽合金片（4）为TA1或TA2工业纯钽；所述钨合金片（2）为93W-4.9Ni-2.1Fe钨合金。

4.如权利要求1所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述工件表面清理步骤中，所加镍箔（3）用05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用丙酮超声清洗1 min～10min，然后转入丙酮中存放。

5.如权利要求4所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述镍箔（3）的厚度为5μm ~38μm，纯度≥99%。

6.如权利要求1所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述真空扩散焊接步骤中，加热时，先按5℃～10℃/min的升温速率升温至710℃～800℃，然后以2℃～10℃/min的升温速率升至810℃～930℃。

7.权利要求1至6中任一权利要求所述的钨合金与钽合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所制备的钨钽焊接体用于动高压物理或核聚变领域。

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