一种锆合金低温扩散连接方法技术

本发明专利技术公开了一种锆合金低温扩散连接方法，包括加工待焊锆合金工件的待焊表面至指定粗糙度、平面度；对经加工处理后的锆合金工件基底进行表面清洗除油；对待焊锆合金工件的待焊表面改性处理或在待焊界面加入中间层；对经改性处理的锆合金工件或加入中间层的工件进行组装、点焊固定；扩散连接得成品；进行扩散连接的温度为760℃～820℃，压力值为7MPa～22MPa，保温时间为30min～130min。通过针对锆合金待连接界面有效的表面改性处理或者在连接界面处采用不同的中间过渡层，并设计合理的扩散连接工艺，在锆合金相变转化温度以下获得接头性能良好的锆合金构件。接头性能良好的锆合金构件。接头性能良好的锆合金构件。

【技术实现步骤摘要】
一种锆合金低温扩散连接方法


[0001]本专利技术涉及核燃料元件及后处理乏燃料运输容器制造
，具体涉及一种锆合金低温扩散连接方法。

技术介绍

[0002]核能是一种清洁高效能源，发展核能是当前我国坚定不移的能源发展战略方针。核燃料元件是核反应堆的屏障核心部件，对反应堆安全性和可靠性有极其重要的影响，包壳是核反应堆的第一道安全屏障。锆合金由于具有低的热中子吸收截面、良好的耐腐蚀性能以及适中的力学性能，是当前水冷核反应堆唯一采用的燃料元件包壳材料，而针对其连接技术的研究直接决定燃料组件集成制造的可行性，其连接焊缝是否稳定可靠将直接影响整个燃料组件性能，进而为核反应堆安全稳定可靠运行带来隐患。
[0003]目前，国内外多个国家均系统开展了锆合金焊接技术研究，直接应用对象核心围绕锆合金棒状燃料元件展开，具体涉及真空电子束焊(EBW)、钨极气体保护焊(TIG)、脉冲激光焊(LBW)、压力电阻焊(RPW)等，但针对燃料元件扩散连接成型方面鲜有报道，针对锆基包壳燃料元件扩散连接更是空白。
[0004]随着核能技术发展对燃料元件长寿期、高燃耗、高安全、高可靠性的要求，多层密集连接结构的新型燃料元件集成化制造便正式提上日程。采用传统熔焊方式进行集成制造已无法有效满足现有需求，主要存在以下技术难点：1)焊接量大，焊接形变控制难度大，整体变形易出现超差；2)密集焊缝间距小，焊缝重叠且相互影响，内部流道尺寸控制困难，未全焊透结构带来长周期缝隙腐蚀倾向；3)焊缝及其热影响区温度超差对内部燃料芯体性能造成不可逆的负面影响。在此基础上再考虑到新型燃料元件结构尺寸更大，熔深控制精度要求更高，变形控制难度更大，上述技术难题将更为突出，而这也对后续新型燃料元件研制带来重大挑战，急需寻求一种新型连接方法及其工艺进行革新性技术替代研究。
[0005]随着新兴连接技术的发展，采用微观界面固相连接的真空扩散连接技术作为一种精密连接方法，非常适合大量密集焊缝多层叠加构件的快速成型及集成制造。为有效降低构件受热后组织及性能遭到不利影响，同时有效降低精密构件整体结构形变尺寸控制难度，锆合金低温扩散连接技术目前已逐步得到关注和重视。
[0006]现有的在扩散连接技术方面，有人提出采用与焊接工件材质相同的板材叠焊出块体结构作为结构中间层进行焊接；有人提出采用外侧限位及内撑工装对待焊接件进行热膨胀约束；也有人提出在焊件的表面镀含有镍和磷的镀镍层。但采用结构中间层、外侧限位及内撑工装等方法均不能降低锆合金的扩散连接温度(低于锆合金相变温度826℃)，不适用于以Zr
‑
4为典型代表的锆合金同质扩散连接。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是目前的扩散连接技术无法适用于锆合金同质扩散连接，不能降低锆合金的扩散连接温度，目的在于提供一种锆合金低温扩散连接方法，以解
决以上问题。
[0008]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0009]一种锆合金低温扩散连接方法，包括：
[0010]加工两块待焊锆合金工件的待焊表面至指定粗糙度、平面度；
[0011]对经加工处理后的锆合金工件基底进行表面清洗除油；
[0012]对待焊锆合金工件的待焊表面改性处理或在待焊界面加入中间层；
[0013]对经改性处理的锆合金工件或加入中间层的工件进行组装、点焊固定；
[0014]扩散连接得成品；
[0015]所述进行扩散连接的温度为760℃～820℃，压力值为7MPa～22MPa，保温时间为30min～130min。
[0016]可选地，所述锆合金为纯Zr或Zr
‑
Sn或Zr
‑
Nb或Zr
‑
Sn
‑
Nb体系；
[0017]优选地，所述锆合金为Zr
‑
0或Zr
‑
2或Zr
‑
4或N36。
[0018]可选地，所述指定粗糙度为小于等于0.8μm，所述指定平面度为小于等于0.02mm。
[0019]可选地，所述表面清洗除油过程为：
[0020]采用碱性清洗剂超声清洗基底，去离子水冲洗，无水乙醇超声清洗，干燥；
[0021]所述碱性清洗剂及无水乙醇超声清洗时长均为大于等于15min。
[0022]可选地，所述表面改性处理采用真空磁控溅射或真空离子注入复合磁控溅射或真空阴极弧离子镀膜方法进行，改性层为Ti或Ni或Nb层，所述改性层的厚度为2μm～30μm。
[0023]可选地，所述镀膜方法步骤包括：
[0024]将待表面改性的工件装入镀膜设备，逐次开启机械泵、罗茨泵和分子泵，将系统真空抽到≤1
×
10
‑3Pa；
[0025]通入氩气使压力达到≤3Pa；
[0026]加载偏压800V～1200V，脉宽80％，辉光放电清洗基材；
[0027]通过控制靶电流大小及镀膜时间控制最终膜层厚度，得到表面改性后的工件。
[0028]可选地，所述中间层为Ti或Ni或Nb箔片，所述箔片的厚度为10μm～100μm。
[0029]可选地，对经改性处理的待焊锆合金工件组装、点焊固定的过程为：
[0030]将待焊锆合金工件组装，组装后的待焊锆合金工件的上下待焊界面区域错边量小于0.3mm；
[0031]在组装好的工件的两个对边进行点焊固定。
[0032]可选地，对经改性处理的多层待焊锆合金工件组装时，每层待焊试件上设计并加工出对应的定位孔，采用高温合金或高强热作模具钢加工成定位销进行上下精确定位，其中定位孔与定位销之间配合间隙≤
±
0.01mm，或采用不大于0.03mm的过盈配合。
[0033]可选地，进行扩散连接前分三级升温至扩散连接温度值，每级升温均为匀速升温；
[0034]所述三级升温为：第一级升温为由室温升至350℃，并在350℃下保温；
[0035]第二级升温为由350℃升至600℃，并在600℃下保温；
[0036]第三级升温为由600℃升至指定760℃～820℃，且加压至7MPa～22MPa，并保温；
[0037]三级升温后随炉冷却至室温。
[0038]可选地，所述第一级升温过程中由室温经50min升至350℃，并在350℃下保温60min；
[0039]所述第二级升温过程中由350℃经60min升至600℃，并在600℃下保温35min；
[0040]所述第三级升温过程中由600℃经70min升至指定760℃～820℃。
[0041]可选地，所述扩散连接温度与扩散连接压力线性具有以下匹配关系：
[0042]升温过程：
[0043]在室温预压状态下，压力值2～4MPa；
[0044]从室温至350℃，压力值4～7MPa；
[0045]从350℃至600℃，压力值：7MPa～22MPa；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于包括：加工待焊锆合金工件的待焊表面至指定粗糙度、平面度；对经加工处理后的锆合金工件基底进行表面清洗除油；对待焊锆合金工件的待焊表面改性处理或在待焊界面加入中间层；对经改性处理的锆合金工件或加入中间层的工件进行组装、点焊固定；扩散连接得成品；所述进行扩散连接的温度为760℃～820℃，压力值为7MPa～22MPa，保温时间为30min～130min。2.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述锆合金为纯Zr或Zr
‑
Sn或Zr
‑
Nb或Zr
‑
Sn
‑
Nb体系；优选地，所述锆合金为Zr
‑
0或Zr
‑
2或Zr
‑
4或N36。3.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述指定粗糙度为小于等于0.8μm，所述指定平面度为小于等于0.02mm。4.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述表面清洗除油过程为：采用碱性清洗剂超声清洗基底，去离子水冲洗，无水乙醇超声清洗，干燥；所述碱性清洗剂及无水乙醇超声清洗时长均为大于等于15min。5.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述表面改性处理采用真空磁控溅射或真空离子注入复合磁控溅射或真空阴极弧离子镀膜方法进行，改性层为Ti或Ni或Nb层，所述改性层的厚度为2μm～30μm。6.根据权利要求5所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述镀膜方法步骤包括：将待表面改性的工件装入镀膜设备，逐次开启机械泵、罗茨泵和分子泵，将系统真空抽到≤1
×
10
‑3Pa；通入氩气使压力达到≤3Pa；加载偏压800V～1200V，脉宽80％，辉光放电清洗基材；通过控制靶电流大小及镀膜时间控制最终膜层厚度，得到表面改性后的工件。7.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，所述中间层为Ti或Ni或Nb箔片，所述箔片的厚度为10μm～100μm。8.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，对经改性处理的待焊锆合金工件组装、点焊固定的过程为：将待焊锆合金工件组装，组装后的待焊锆合金工件的上下待焊界面区域错边量小于0.3mm；在组装好的工件的两个对边进行点焊固定。9.根据权利要求1所述的一种锆合金低温扩散连接方法，其特征在于，对经改性处理的多层待焊锆合金工件组装时，每层待焊试件上设计并加工出对应的定位孔，采用高温合金或高强热作模具钢加工成定位销进行上下精确定位，其中定位孔与定位销之间配合间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽明，王晶，肖宗林，曾静，侯蔼麟，王世忠，邱绍宇，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：