CN111151864A - 连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，采用扩散焊焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金，作为扩散焊接中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10‑30，钯(Pd)：0.5‑1.0，钒(V)：1‑10，钛(Ti)：1‑5，余量铜(Cu)。采用的焊接工艺是扩散焊接，连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料是作为扩散焊接的中间层。采用本发明所述的焊接材料和工艺，焊接温度较低，避免钨的再结晶导致晶粒长大引起钨基粉末合金的力学性能严重受损，在较低的焊接温度下可以获得优异的钨基粉末合金/低膨胀高温合金接头高温性能。

Description

连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺

技术领域

本发明涉及一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，应用于钨基粉末合金与低膨胀高温合金异种金属间的扩散连接，属于焊接与连接技术领域。

背景技术

钨基粉末合金是一种以钨为硬质相，以镍、铜或镍、铁等为粘结相，采用粉末冶金精密成型工艺烧结制造的复合材料，具有高导热，高强度，高密度，高熔点，低热膨胀系数，优异抗蚀性、抗氧化性和抗冲击韧性等性能，常利用其高温性能制作耐高温和耐腐蚀结构件。采用粉末冶金精密成型工艺烧结制造的钨基粉末合金其形状和大小会受到一定的限制，制造结构复杂的耐高温和耐腐蚀结构件难以一次成型，需要后序加工，分多次工艺完成，有些难以加工的部位往往通过后期焊接而成，尤其是钨基粉末合金与其他金属相互焊接在一起，更能充分发挥其高密度、高导热性和低膨胀系数等优异性能。钨基粉末合金具有很好的延性，可以进行轧制、旋锻、锻造、车、铣、刨、车螺纹和攻丝等机加工，但是，由于其特殊的物理化学性能，钨基粉末合金与其它金属焊接存在一定困难。钨基粉末合金导热性极强，熔化焊接时容易造成不熔合现象，焊接要求采用能量密度高、焊接热输入量大、焊接速度快的高效焊接技术与工艺。采用高能量的熔焊焊接在冷却速度慢的条件下，焊缝金属凝固成长为单相粗大柱状晶，焊缝金属在室温下塑形极低，同时还会造成宽大的焊接热影响区。钨的再结晶温度低，过热区晶粒剧烈长大，热影响区形成粗大再结晶组织，常温下再结晶状态的钨，超过在钨中的溶解度的气体杂质将偏析或沉淀在晶界上，由于杂质沿晶界的集聚而呈脆性。钨基粉末合金线膨胀系数小，接头中会产生残余应力，降低接头的力学性能与抗热震和疲劳性能。钨基粉末合金与其它金属焊接要求选用膨胀系数与钨基粉末合金相近的金属，并且在构件制造和工作过程中不能发生同素异构转变，以免引起热膨胀系数突变，破坏钨基粉末合金与金属的匹配关系。钨基粉末合金与其它金属焊接极少利用软钎焊进行焊接。钨与银、铜并不形成合金，使用银基和铜基钎料钎焊钨基粉末合金效果并不理想，钎缝的强度受到影响，试验结果表明，钎焊接头抗剪切强度低于200MPa，尤其是钎缝的高温强度受到很大的限制。镍基钎料钎焊接头具有较好的高温性能，但是其熔化温度范围通常都在1100-1200℃，钎焊温度则在1200-1300℃。钨的再结晶温度约为1100±50℃，而且晶粒长大的速度很快，钎焊温度超过此温度，材料明显变脆。因此，在钎焊件工作温度允许的情况下，钎焊温度不要超过1000℃，如果钎焊温度超过1000℃，则应采取快速钎焊的方法，使钨基粉末合金在1000℃以上停留的时间较短，否则，钨基粉末合金的力学性能将严重受损。目前，尚未见有关采用镍基钎料钎焊钨基粉末合金焊接的系统报道。实现钨基粉末合金及其与其它金属可靠焊接，提高焊接接头的耐高温性能，充分发挥高导热性、高强度和低膨胀系数钨基粉末合金的优异性能，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，实现钨基粉末合金与低膨胀高温合金的可靠连接。本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，是采用粉末冶金工艺烧结而成，与钨基粉末合金有着良好的相容性；本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的工艺是采用扩散焊接工艺。连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料是作为扩散焊接的一层中间层，采用扩散焊接用于连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金，可实现钨基粉末合金与低膨胀高温合金可靠连接。

本发明的上述目的是这样实现的：一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，采用的连接工艺为扩散焊接，作为扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料为以铜(Cu)、镍(Ni)作为基础合金成分，添加微量钯(Pd)、钒(V)和钛(Ti)元素构成多元铜镍钯钒钛中间层，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10-30，钯(Pd)：0.5-1.0，钒(V)：1-10，钛(Ti)：1-5，余量铜(Cu)。

本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下。

图1是钨基粉末合金与低膨胀高温合金扩散焊接接头微观组织，接头界面平整，形成较好的冶金结合，未见焊接缺陷。

本发明的上述目的是这样实现的：一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，确定连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，作为连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料为以铜(Cu)、镍(Ni)作为基础合金成分，添加微量钯(Pd)、钒(V)和钛(Ti)元素构成多元铜镍钯钒钛中间层，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10-30，钯(Pd)：0.5-1.0，钒(V)：1-10，钛(Ti)：1-5，余量铜(Cu)。本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金焊接材料，所用材料Cu、Ni、Pd、V和Ti金属纯度均为99.99％粉状颗粒，粉状金属颗粒尺寸大小为20－40μm。

第二步，将按设计成分配比的焊接材料使用行星式混料机将金属粉末混合均匀，混料时间为30-60min。

第三步，使用高能球磨机对混合均匀的金属粉末进行球磨处理，保证金属粉末充分均匀化、细化，并在反复的碾压和冷焊过程中达到部分机械合金化，高能球磨的球料比为5-20，转速为200-500r/min，球磨时间为10-15h。

第四步，使用粉末冶金台式压片机将混合金属粉末压制成约0.1mm厚的箔片。

第五步，将压制成的箔片进行烧结处理，金属粉末颗粒间通过扩散、再结晶、冶金、溶解等一系列的物理化学过程，作为扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料。其中，烧结温度为800-1000℃，保温时间为80-150min。

第六步，钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面预处理。表面预处理目的是去除材料表面的油污和氧化物。钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面采用机械方法进行表面处理，之后放入丙酮溶液中进行超声波清洗。

第七步，装配。将厚度为0.1mm箔状中间层放置于钨基粉末合金和低膨胀高温合金待焊接的接头处，然后利用夹具进行装配。

第八步，扩散焊接。将装配好的钨基粉末合金和低膨胀高温合金放入真空中进行扩散焊接，真空度为2×10^-3Pa，焊接为950-1050℃，保温时间为40-60min。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的工艺是采用扩散焊接工艺，为瞬间液相扩散焊接，是在连接过程开始时，中间层低熔点金属熔化形成液相，液体金属浸润钨基粉末合金与低膨胀高温合金表面填充毛细间隙，形成致密的焊接界面；随后，在保温过程中，借助固液相之间相互扩散和溶解使液相合金的成分向高熔点侧变化，最终发生等温凝固和固相成分均匀化，结合区组织与母材相近，不会残留凝固铸态组织。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料是以Cu和Ni作为基础合金成分，Cu与与Ni的塑性较好，可以有效缓解接头残余热应力，且Cu与Ni可以完全互溶，作为中间层焊接的接头可以更均匀化，在焊接温度950-1050℃，保温时间40-60min的条件下形成的中间层中的Cu与Ni已基本均匀化。试验研究结果表明，在中间层中加入微量Pd，中间层在钨基粉末合金表面的浸润性能更好，但是中间层中加入Pd含量过多会使中间层与钨基粉末合金界面反应区内出现龟裂现象。钒的线膨胀系数介于钨基粉末合金与低膨胀高温合金之间，加入适量V元素，不仅可以缓解接头的残余应力，还可以增大扩散层厚度。Ti常用作活性元素，与多数金属的相互作用力很强，可以与W相互溶解并形成化合物，激活原子的扩散，利于反应的进行。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，选择钨基粉末合金与低膨胀高温合金进行焊接，是因为低膨胀高温合金是在因瓦合金和超因瓦合金的基础上发展起来的新型合金，具有很高的拉伸强度，较低的热膨胀系数，良好的冷热疲劳性能和耐高温氢脆性能。钨基粉末合金与低膨胀高温合金膨胀系数相近，焊接在一起可以降低接头中产生的残余应力，提高接头的抗热震和疲劳性能。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，根据各种添加元素的相互作用机理，在综合考虑到成本、物理、化学和力学性能的基础上，对加入的合金元素进行性能试验研究，作为扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料为以铜(Cu)、镍(Ni)作为基础合金成分，添加微量钯(Pd)、钒(V)和钛(Ti)元素构成多元铜镍钯钒钛中间层，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10-30，钯(Pd)：0.5-1.0，钒(V)：1-10，钛(Ti)：1-5，余量铜(Cu)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

焊接温度较低，为950-1050℃，避免钨的再结晶导致晶粒长大引起钨基粉末合金的力学性能严重受损；在较低的焊接温度下可以获得优异的钨基粉末合金/低膨胀高温合金接头高温性能。

附图说明

图1钨基粉末合金与低膨胀高温合金扩散焊接接头微观组织

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，采用的焊接工艺是扩散焊接，连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料是作为扩散焊接的中间层。本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10-30，钯(Pd)：0.5-1.0，钒(V)：1-10，钛(Ti)：1-5，余量铜(Cu)。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，包括以下工艺步骤：

第一步，确定连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，作为连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料为以铜(Cu)、镍(Ni)作为基础合金成分，添加微量钯(Pd)、钒(V)和钛(Ti)元素构成多元铜镍钯钒钛中间层，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计(wt/％)：镍(Ni):10-30，钯(Pd)：0.5-1.0，钒(V)：1-10，钛(Ti)：1-5，余量铜(Cu)。本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金焊接材料，所用材料Cu、Ni、Pd、V和Ti纯度均为99.99％粉状金属，粉状金属颗粒尺寸大小为20－40μm。

第二步，将按设计成分配比的焊接材料使用行星式混料机将金属粉末混合均匀，混料时间为30-60min。

第三步，使用高能球磨机对混合均匀的金属粉末进行球磨处理，保证金属粉末充分均匀化、细化，并在反复的碾压和冷焊过程中达到部分机械合金化，高能球磨的球料比为5-20，转速为200-500r/min，球磨时间为10-15h。

第四步，使用粉末冶金台式压片机将混合金属粉末压制成约0.1mm厚的薄片。

第五步，将压制成的薄片进行烧结处理，金属粉末颗粒间通过扩散、再结晶、冶金、溶解等一系列的物理化学过程，作为扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料。其中，烧结温度为800-1000℃，保温时间为80-150min。

第六步，钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面预处理。表面预处理目的是去除材料表面的油污和氧化物。钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面采用机械方法进行表面处理，之后放入丙酮溶液中进行超声波清洗。

第七步，装配。将厚度为0.1mm薄状中间层放置于钨基粉末合金和低膨胀高温合金待焊接的接头处，然后利用夹具进行装配。

第八步，扩散焊接。将装配好的钨基粉末合金和低膨胀高温合金放入真空中进行扩散焊接，真空度为2×10^-3Pa，焊接温度为950-1050℃，保温时间为40-60min。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，下述所有实施例均采用上述焊接材料成分、工艺参数和工艺步骤得到的；钨基粉末合金成分按质量百分比计(Wt/％)：W：97，Ni：2.1，Fe：0.9。参考国家标准《GB/T 11363-2008钎焊接头强度试验方法》和《GB/T 4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》测定了接头抗剪切强度。实施例见下表1。

本发明所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料和工艺，按照上述焊接材料成分、工艺参数和工艺步骤进行扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金接头所达到的技术指标：

(1)钨基粉末合金与低膨胀高温合金接头室温剪切强度：171-212MPa；

(2)钨基粉末合金与低膨胀高温合金接头在200℃时测试剪切强度：130-160Mpa；在400℃时测试剪切强度110-147Mpa。

表1多元铜镍钯钒钛中间层成分及其扩散焊接接头性能

Claims (3)

1.一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，其特征在于，采用的连接工艺为扩散焊接工艺，连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料是作为扩散焊接的一层中间层，作为扩散焊接中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计wt/％：镍:10-30，钯：0.5-1.0，钒：1-10，钛：1-5，余量铜。

2.根据权利要求1所述的一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，其特征在于，作为扩散焊接中间层的焊接材料是采用粉末冶金工艺烧结而成，中间层厚度为0.1mm。

3.一种连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：

第一步，确定连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金的焊接材料，作为连接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料为以铜、镍作为基础合金成分，添加微量钯、钒和钛元素构成多元铜镍钯钒钛中间层，作为中间层的焊接材料合金成分按质量百分比计wt/％：镍:10-30，钯：0.5-1.0，钒：1-10，钛：1-5，余量铜；所用材料Cu、Ni、Pd、V和Ti金属纯度均为99.99％粉状颗粒，粉状金属颗粒尺寸大小为20－40μm；

第二步，将按设计成分配比的焊接材料使用行星式混料机将金属粉末混合均匀，混料时间为30-60min；

第三步，使用高能球磨机对混合均匀的金属粉末进行球磨处理，保证金属粉末充分均匀化、细化，并在反复的碾压和冷焊过程中达到部分机械合金化，高能球磨的球料比为5-20，转速为200-500r/min，球磨时间为10-15h；

第四步，使用粉末冶金台式压片机将混合金属粉末压制成约0.1mm厚的箔片；

第五步，将压制成的薄片进行烧结处理，金属粉末颗粒间通过扩散、再结晶、冶金、溶解等一系列的物理化学过程，作为扩散焊接钨基粉末合金与低膨胀高温合金中间层的焊接材料，其中，烧结温度为800-1000℃，保温时间为80-150min；

第六步，钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面预处理，表面预处理目的是去除材料表面的油污和氧化物，钨基粉末合金和低膨胀高温合金表面采用机械方法进行表面处理，之后放入丙酮溶液中进行超声波清洗；

第七步，装配，将厚度为0.1mm箔状中间层放置于钨基粉末合金和低膨胀高温合金待焊接的接头处，然后利用夹具进行装配；

第八步，扩散焊接，将装配好的钨基粉末合金和低膨胀高温合金放入真空中进行扩散焊接，真空度为2×10^-3Pa，焊接温度为950-1050℃，保温时间为40-60min。

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