[发明专利]一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法

说明书

本发明公开了的一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法，其中，复合中间层由金属Ⅰ、中熵合金、金属Ⅱ依次排列组成；金属Ⅰ和金属Ⅱ均选自镍或铌，金属Ⅰ和金属Ⅱ的厚度均为5～50μm；中熵合金由Co、Cr和Ni三种元素组成；还公开了复合中间层用于钨/钢连接件的扩散焊接方法。本发明中的复合中间层既可利用中熵合金及金属单质的良好的塑性变形能力，降低钨/钢连接件残余应力，提高接头强度，又能在制作钨/钢连接件过程中降低扩散焊温度且缩短保温时间。

技术领域

本发明涉及金属焊接件技术领域，更具体的说是涉及一种用于钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法。

背景技术

钨及其合金具有高熔点、高强度、高热导率和低的溅射腐蚀率等优点，被认为是理想的面向高温使用的材料。但是钨的密度大，韧脆转变温度高，机械加工困难。钢是常用的金属结构材料，具有良好的高温力学性能、高热导率、容易加工等特性。因此，两者的可靠连接是制备高性能面对高温服役部件的关键技术之一；然而，由于钨与钢的热物理性能如熔点、热膨胀系数、热导率等差异较大，使得传统的熔化焊难以实现两者的可靠连接。

目前，钨与钢的连接方法主要有真空扩散焊和钎焊。钎焊连接件往往具有钎料熔点较低致使钎焊连接件使用温度较低，或钎料中加入较多的Si、B等元素与金属形成脆性的金属间化合物而使连接件性能变差。真空扩散焊则因其相对较低的连接温度和连接件的高温使用性等特点，被视为是连接钨与钢最有效的方法之一。钨与钢进行扩散焊接时，由于钨与钢之间热膨胀系数差异(钨4.5×10^-6K^-1，钢12-14×10^-6K^-1)较大，使得在焊后降温过程中连接界面处容易产生较大的残余应力，此外，钨/钢直接扩散界面处极易产生脆性的金属间化合物，这些因素均导致连接件性能的降低，甚至造成连接失效。

因此，为解决上述问题，常通过添加中间层的方式来缓解界面处的应力状态，减少界面处脆性金属间化合物的生成，以提高连接件的性能。具有高熔点、低屈服强度的材料常用来作为焊接钨和钢的中间层。现阶段的研究中，Ni、Nb、V、Ti、Fe等单金属或双金属已作为中间层用于钨/钢的扩散焊接，且已获得了具有一定强度的连接件；然而，根据研究结果可知，在扩散焊接过程中上述中间层与母材反应仍有脆性相的生成，如V和Ti与钢中元素反应形成脆性的金属间化合物、双金属中间层如Ni/V界面处有Ni₃V、Ni₂V、Ni₂V₃等金属间化合物生成，这些脆性相的生成造成连接件接头强度的降低。此外，在连接件的焊后热处理及高温服役过程中，反应层厚度会进一步增加，连接件性能会进一步下降。

近年来，中熵(高熵)合金因其优异的性能受到越来越广泛的关注。不同于传统基于一种或两种主元的合金材料，中熵(高熵)合金是指含有多种主要组成元素的合金，其普遍形成单一的固溶体结构。由于其独特的成分与结构，中熵(高熵)合金显示出热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应和性能上的“鸡尾酒效应”。这四大效应赋予了中熵(高熵)合金高的塑性和断裂韧性、抗高温氧化、良好的耐腐蚀性及热稳定性等优异的性能。其中，CoCrNi中熵合金为单相面心立方固溶体，具有高熔点和良好的塑性及冷热加工性能，将其作为钨与钢扩散焊接的中间层材料时，可利用其屈服强度和弹性模量较低的特点有效缓释异种材料连接界面应力，以实现钨和钢的连接。然而，相比于纯金属而言，中熵(高熵)合金的高熵效应和迟滞扩散效应使其与母材的界面扩散较为缓慢，需要较高的焊接温度或较长的保温时间才能达到高强度界面结合。

因此，为了在较低的焊接温度或较短的保温时间获得高强度的钨/钢连接件，进一步提高焊接效率，提供一种用于钨/钢连接件的复合中间层及钨/钢连接件的扩散焊接方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够在较低的焊接温度或较短的保温时间获得高强度的钨/钢连接件的复合中间层及扩散焊接方法。