一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法技术

本发明专利技术公开了一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法，其是在不添加中间过渡层的前提下，采用放电等离子烧结系统对TZM合金与WRe合金进行电场辅助扩散连接，从而获得TZM合金与WRe合金的连接件。通过本发明专利技术的连接方法可得到强度高、成型好的TZM‑WRe异种合金连接件，接头室温三点弯曲强度最高可达935MPa。

Method for connecting TZM alloy and WRe alloy by electric field auxiliary

The invention discloses a method for connecting electric field assisted TZM alloy and WRe alloy, which is in the premise of not adding intermediate layer by using spark plasma sintering system for electric field assisted diffusion bonding of TZM alloy and WRe alloy, and connectors TZM and WRe alloys. TZM WRe dissimilar alloy high strength, good forming the connector through the connecting method of the invention can joint at room temperature, three point bending strength up to 935MPa.

【技术实现步骤摘要】
一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法
本专利技术涉及一种异种高温合金的连接方法，尤其涉及一种TZM合金与WRe合金的连接方法。
技术介绍
TZM合金具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能良好等特点，其在高温高压下表现出的良好力学性能使其在军事工业上应用较多，如鱼雷发动机中的配气阀体、火箭喷嘴、燃气管道、喷管喉衬。钨铼合金具有一系列优良性能，如高熔点、高强度、高硬度、高塑性、高再结晶温度、高电阻率，低蒸气压、低电子逸出功和低塑性脆性转变温度等。尤为重要的是，钨铼合金具有优异的高温力学性能，使其成为2000℃条件下使用的超高温结构材料。将TZM合金与WRe合金有效连接，是拓展高温合金在航空航天领域中应用的关键。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(SPS)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。该方法可显著降低成形温度和成形时间，并产生等离子活化、放电冲击压和电场辅助扩散效应等一系列特殊效应，被认为是制备细晶、纳米晶块体材料的一种非常有效的低成本方法。随着对SPS的深入研究，发现其不但在粉末烧结中有着传统方法无法逾越的优点，而且在连接工艺中也有独特的优势。SPS连接工艺是将需要连接的材料放在两个电极之间，施加压力的同时通入脉冲直流电流，利用SPS效应使其连接界面产生原子扩散而进行的连接工艺。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合金与WRe合金的有效连接。
技术实现思路
针对现有高温合金，尤其是TZM合金与WRe合金连接技术的不足之处，本专利技术的目的在于将放电等离子烧结技术用于高温合金的固态扩散连接，提供一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法，降低连接温度的同时促进原子扩散，进而提高焊接接头的力学性能。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法，其特点在于：在不添加中间过渡层的前提下，采用放电等离子烧结系统对TZM合金与WRe合金进行电场辅助扩散连接，从而获得TZM合金与WRe合金的连接件；具体包括如下步骤：步骤1、取待连接的TZM合金和WRe合金，对TZM合金和WRe合金的待连接表面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；步骤2、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WRe合金和TZM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，同时使待连接表面位于石墨阴模高度的正中间位置；步骤3、将装有待连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8Pa以下，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散连接，连接工艺条件为：轴向压力为10～40MPa；升温速率为20～300℃/min；连接温度为1400～1700℃；保温时间为10～180min；降温速率为2～40℃/min；待冷却后即获得TZM合金与WRe合金的连接件。当所述连接温度为1400～1700℃时，对应施加的直流脉冲电流密度为850～1600A/cm2。所述连接温度优选为1450～1600℃；保温时间优选为30～90min。所述降温速率从目标温度降至1000℃的区间内优选为2～15℃/min，在600～1000℃区间内优选为10～40℃/min，600℃以下随炉冷却。。步骤1中，通过依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸分别对TZM合金与WRe合金的待连接表面进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理好的TZM合金与WRe合金的待连接表面的平面度不大于0.1mm，粗糙度不大于0.1μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术采用放电等离子烧结技术实现了TZM合金与WRe合金的快速有效连接，与传统的连接工艺相比，该方法连接温度低、保温时间短、能耗低、对设备真空度要求低，且在不添加任何活化中间过渡层的情况下，通过电场辅助下的电迁移效应促进原子扩散，实现TZM与WRe异种合金的高效连接；采用该方法制得的TZM合金与WRe合金连接件的强度接近母材强度的90％，并显著改善了焊接接头的高温性能和使用寿命。2、本专利技术优化了TZM合金与WRe合金的SPS连接工艺，当轴向压力、升温速率、连接温度、保温时间和降温速率分别优选为20MPa、100℃/min、1500℃、30min和10～20℃/min(降温速率在1000～1500℃区间为10℃/min，在600～1000℃区间为20℃/min)时，更能充分发挥该连接工艺的优势，在保证有足够厚的扩散层的同时有效抑制母材在再结晶过程的晶粒长大。具体实施方式通过如下实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的实施方式不仅限于此。在下述实施例中所用TZM合金和WRe合金均为加工态；TZM合金成分为0.4～0.6wt.％的Ti、0.07～0.12wt.％的Zr和0.01～0.04wt.％的C，其余为Mo(不计杂质含量)，平均晶粒尺寸为100μm；WRe合金成分为24～26wt.％的Re，其余为W(不计杂质含量)，平均晶粒尺寸为10μm。所用放电等离子烧结炉为日本SinterLandinc公司生产的LABOX-350放电等离子烧结系统，其电流类型为直流脉冲电流，脉冲序列为40:7；所用石墨模具的内径为Φ11mm。实施例1本实施例TZM合金和WRe合金的SPS扩散连接按如下步骤进行：步骤1、对TZM合金和WRe合金的待连接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的TZM合金待连接表面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.05μm，处理后的WRe合金待连接表面的平面度和粗糙度分别为0.1mm和0.08μm。步骤2、将处理好的WRe合金和TZM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，同时使待连接表面位于石墨阴模高度的正中间位置；步骤3、将装有待连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8Pa以下，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散连接，连接工艺条件为：轴向压力为10MPa；升温速率为300℃/min；连接温度为1700℃；保温时间为10min；降温速率在1000～1700℃区间为15℃/min，在600～1000℃区间为40℃/min，600℃以下随炉冷却。冷却后即获得TZM-WRe合金连接件，接头的室温三点弯曲强度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法，其特征在于：在不添加中间过渡层的前提下，采用放电等离子烧结系统对TZM合金与WRe合金进行电场辅助扩散连接，从而获得TZM合金与WRe合金的连接件。

【技术特征摘要】
1.一种电场辅助下的TZM合金与WRe合金的连接方法，其特征在于：在不添加中间过渡层的前提下，采用放电等离子烧结系统对TZM合金与WRe合金进行电场辅助扩散连接，从而获得TZM合金与WRe合金的连接件。2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、取待连接的TZM合金和WRe合金，对TZM合金和WRe合金的待连接表面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；步骤2、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WRe合金和TZM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，同时使待连接表面位于石墨阴模高度的正中间位置；步骤3、将装有待连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8Pa以下，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散连接，连接工艺条件为：轴向压力为10～40MPa；升温速率为20～300℃/min；连接温度为1400～1700℃；保温时间为10～180min；降温速率为2～40℃/min；待冷却后即获得TZM合金与WRe合金的连接件。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张久兴，杨芝，胡可，杨新宇，胡大为，臧孝华，仝颖刚，沈岩，
申请(专利权)人：合肥工业大学，北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34