一种TZM和WRe异种合金的低温连接方法技术

本发明专利技术提供了一种TZM和WRe异种合金的低温连接方法，是以Ti粉作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术对TZM合金与WRe合金在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，获得TZM合金与WRe合金的连接件。通过本发明专利技术的焊接方法可保证母材不发生再结晶的同时，得到强度高、成型好的TZM/WRe异种合金连接件，接头室温剪切强度可达263MPa。

Low temperature joining method for TZM and WRe dissimilar alloy

The present invention provides a method for connecting TZM and WRe dissimilar alloys at low temperature, is using Ti powder as active intermediate layer by spark plasma sintering technology of TZM alloy and WRe alloy in recrystallization is lower than that of base metal diffusion welding temperature, connected parts of TZM alloy and WRe alloy. The welding method of the invention can ensure that the parent material does not have recrystallization, at the same time, a high strength and good formed TZM/WRe dissimilar alloy connecting piece is obtained, and the shearing strength of the joint can reach 263MPa at room temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种TZM和WRe异种合金的低温连接方法
本专利技术涉及一种异种难熔合金的低温连接方法，尤其涉及一种TZM/WRe异种合金的连接方法。
技术介绍
TZM合金是在Mo基体中加入总量不超过1％的Ti和Zr而形成的一种高温合金。与纯钼相比，TZM合金具有更高的再结晶温度和高温强度。TZM合金应用广泛，如：利用其良好的抗蚀性，用于彩色显像管玻壳生产线上玻璃熔炉和用铂铑包复搅拌器的主轴；利用其高熔点的特性，用于制造有色金属的压铸模具；利用其高温高压下良好的力学性能，用于鱼雷发动机上的配气阀体、火箭喷嘴等军事构件。WRe合金是由W和Re所组成的合金。Re的再结晶温度比W高500℃，且Re不存在塑脆转变温度。因此，Re的加入可显著改善W的室温脆性，降低塑脆转变温度，并能在一定的高温区域增强W的力学性能。随着国防工业及国民经济的迅速发展，WRe合金零部件在各领域的应用日益广泛，例如固体火箭发动机喷管、核燃料贮存和控制装置、极端环境热电偶及航空电磁机电接点材料等。TZM合金和WRe合金连接在一起形成的复合结构，对于拓展TZM合金在高温环境中应用具有非常重要的意义。然而，由于TZM合金和WRe合金的物理、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难熔合金的连接。但这些方法存在许多不足：熔焊容易产生裂纹，而且熔池中形成的新合金，往往具有较强的脆性，导致焊缝抗拉强度不高，难于制得高强度的接头；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，且容易出现严重的再结晶问题，导致材料力学性能大幅下降、工件变形；钎焊虽然连接温度较低，但由于钎料的熔点普遍较低，因此钎焊不仅难以充分发挥出难熔金属高温力学性能优异的长处，而且焊缝在高低温循环过程中极易开裂，导致气密性无法满足实际应用要求，严重限制了其应用范围。放电等离子烧结技术(SparkPlasmaSintering，SPS)，是近20年发展起来的一种新型的粉末快速烧结技术，多应用于难熔金属的粉末冶金领域。随着SPS技术的逐渐发展，人们发现其不但在粉末冶金领域有着传统方法无法逾越的优点，而且其在焊接领域也有独特的优势，能够实现同种、异种金属，甚至金属与陶瓷之间的直接连接。因此，通过实验摸索，采用SPS技术有望实现对TZM合金与WRe合金之间的可靠气密连接。
技术实现思路
针对现有难熔金属，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难熔合金的固相扩散连接，提供一种添加Ti粉作为活性中间层的TZM和WRe异种合金的连接方法，降低焊接温度，以避免母合金再结晶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：本专利技术TZM和WRe异种合金的低温连接方法，是以Ti粉作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术对TZM合金与WRe合金在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，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、称量粒径在30～60μm的Ti粉；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、Ti粉及处理好的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Ti粉活性中间层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，抽真空至低于8Pa，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散焊接，焊接工艺条件为：轴向压力为20～60MPa，升温速率为20～300℃/min，连接温度为800～1100℃，保温时间为10～120min，降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为2～40℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；待冷却后即获得TZM合金与WRe合金的连接件，所述连接件的Ti活性中间层的厚度在40～120μm。具体实施中，所述连接温度为800～1100℃时，对应施加的脉冲直流电流密度为400～600A/cm2。最优选的，步骤4所述焊接工艺条件为：轴向压力为50MPa，升温速率为100℃/min，连接温度为900℃，保温时间为30min，降温速率为：从900℃降至600℃的区间降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却。上述最优条件是基于单变量的科学实验设计，以及大量实验摸索而获得的，在此条件下，产品的综合性能最优。优选的，所述连接件的Ti活性中间层厚度在60～80μm。中间层的厚度过薄，会影响焊缝平整度，使TZM和WRe合金的连接受限，过厚又会降低连接件的力学性能。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可实现TZM合金与WRe合金的快速高效连接，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；通过添加Ti粉作为活化中间层，降低了TZM/WRe异种合金的连接温度，避免母合金发生再结晶，显著改善焊接接头的高温性能和使用寿命。2、通过本专利技术的焊接方法可保证母材不发生再结晶的同时，得到强度高、成型好的TZM/WRe异种合金连接件，接头室温剪切强度可达263MPa。3、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、加热速率、连接温度、保温时间和降温速率分别优选为50MPa、100℃/min、900℃、30min和20℃/min(降温速率在600～900℃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合金再结晶过程的晶粒长大。具体实施方式如下通过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。下述实施例中所用的TZM合金和WRe合金均为锻造态：TZM合金的成分为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合金的成分为24～26wt.％的Re，其余为W(不计杂质含量)，平均晶粒尺寸为10μm。下述实施例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Φ8mm。实施例1本实施例的TZM/WRe异种合金的低温扩散焊接按如下步骤进行：步骤1、对TZM合金和WRe合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗。步骤2、用电子天平(精度为0.1mg)称取0.0158g粒径46μm的Ti粉，以保证后期连接件中钛活性中间层厚度在60～80μm。步骤3、将处理好的TZM合金、Ti粉和WRe合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使Ti粉活性中间层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，抽真空至低于8Pa，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散焊接，焊接工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TZM和WRe异种合金的低温连接方法，其特征在于：是以Ti粉作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术对TZM合金与WRe合金在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，从而获得TZM合金与WRe合金的连接件。

【技术特征摘要】
1.一种TZM和WRe异种合金的低温连接方法，其特征在于：是以Ti粉作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术对TZM合金与WRe合金在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，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TZM和WRe异种合金的低温连接方法，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、称量粒径在30～60μm的Ti粉；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、Ti粉及处理好的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Ti粉活性中间层位于石墨阴模高度的正中间位置；步骤4、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，抽真空至低于8Pa，然后通入直流脉冲电流，对TZM合金和WRe合金进行扩散焊接，焊接工艺条件为：轴向压力为20～60MPa，升温速率为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张久兴，杨芝，韩翠柳，胡可，杨新宇，李志，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34