[发明专利]一种基于钨表面梯度合金化的钨/钢扩散连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于钨表面梯度合金化的钨/钢扩散连接方法；属于复合材料制备技术领域。

背景技术

钨具有高密度、高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等优异特性，被广泛应用于航空航天、武器装备、能源和电子等领域。由于钨的本征脆性和制备方法的限制，难以获得大尺寸以及形状复杂的纯钨构件，发展钨/钢复合结构来替代全钨结构不但能增加部件的使用便利性，还能综合发挥各连接材料的性能优势。如在磁约束核聚变堆实验装置中，中子辐照和高的热、力载荷要求耐高温、低活性的材料应用于偏滤器材料，钨与低活性钢是理想的偏滤器候选材料。然而，要组成一个完整的偏滤器部件，涉及到钨与低合金钢的连接。但是，钨与钢的热物理性能和力学性能差异较大，导致钨与钢的焊接性差，连接质量不高，在高的热力负荷作用下，容易发生破坏失效。

目前，钨与钢的连接技术发展起来的主要有钎焊和真空扩散焊。文献“Development of rapidly quenched brazing foils to join tungsten alloys with ferritic steel,Kalin BA,Fedotov VT,Sevrjukov ON,et al:Journal of Nuclear Materials.2004,329-333:p.1544-1548”采用非晶态高温钎料实现了钨与钢的钎焊连接，但焊接样品经热循环试验，极易在靠近焊缝处的钨基体材料内产生裂纹，这与钨/钢钎焊连接件内存在较大的残余应力有关。

真空扩散连接技术由于具有低温连接、高温使用等优良的连接实用性，成为连接异种材料最有效的方法之一。钨与钢扩散连接时，由于钨与钢之间大的热物理性能差异，常通过添加中间层来改善连接接头界面组织结构和应力状态，以提高连接接头质量。文献“Effect of joining temperature on the microstructure and strength of tungsten/ferritic steel joints diffusion bonded with a nickel interlayer,Zhong ZH,Jung H,Hinoki T,Kohyama A.:Journal of Materials Processing Technology 2010；210:p.1805-1810.”和“Effect of holding time on the microstructure and strength of tungsten/ferritic steel joints diffusion bonded with a nickel interlayer,Zhong ZH,Hinoki T,Kohyama A.:Materials Science and Engineering A 2009；518:p.167-173.”通过添加Ni中间层来扩散连接钨与钢，虽然中间层Ni具有一定的缓解残余应力作用，但所制得的钨/Ni/钢连接接头界面易生成Ni₄W脆性相，连接件性能不高。文献“Diffusion bonding between W and EUROFER97using V interlayer,Basuki WW,Aktaa J.:Journal of Nuclear Materials 2012；429:p.335-340.”和“Investigation of tungsten/EUROFER97diffusion bonding using Nb interlayer,Basuki WW,Aktaa J.:Fusion Engineering and Design2011；86:p.2585-2588.”分别采用V和Nb作中间层来扩散连接钨与钢，但连接件焊缝处仍形成了大量金属碳化物(Nb₂C、Nb₆C₅或V₂C)等脆性相，连接质量有待进一步改善。

综上所述，钨/钢焊接时由于钨与钢之间大的热物理性能差异，导致焊接后残余应力大，焊缝处易生成高硬脆性金属间化合物等有害相，造成连接件质量不高。目前，还没有比较成熟的工艺能实现钨与钢的高性能连接。此外，核聚变堆的高热负荷环境对连接件的界面热稳定性提出了更高要求，提高钨/钢连接件在热循环载荷作用下的可靠性至关重要。

发明内容