[发明专利]一种锆及其合金的低温快速放电等离子扩散连接方法

说明书

本发明公开了一种锆及其合金的低温快速放电等离子扩散连接方法，包括如下步骤：1)母材准备：采用工业含锆母材，用砂纸对待焊表面进行打磨，然后用金刚石悬浮抛光液对母材件的待焊表面进行抛光，并用超声清洗去除表面污渍，且烘干备用；2)装配：按照石墨压头‑石墨箔‑待焊锆母材‑待焊锆母材‑石墨箔‑石墨压头的装配次序装配；3)放电等离子扩散焊连接：采用放电等离子扩散连接技术对两块待焊锆母材进行低温固相扩散连接。本发明解决现有连接技术获得的接头难于满足锆的核应用的难题，获得的接头结合良好，不存在明显未连接区域；同时该连接技术，不使用中间层，避免中间层的引入导致接头残余应力过大及服役过程中辐照肿胀率不匹配的问题。

技术领域

本发明属于金属材料连接技术领域，具体涉及一种锆及其合金的低温快速放电等离子扩散连接方法。

背景技术

锆及其合金由于优异的耐腐蚀性能、耐中子辐照性能和良好的加工特性而广泛用作核燃料包壳管材料，被称为“原子时代的第一金属”。锆的工业应用过程，大型复杂结构件的连接与组装是必不可少的，这使得可靠的连接技术成为一项关键要求。各种焊接技术在锆的连接过程都有所应用。常见熔焊技术(TIG、电子束和激光焊等)由于较高的焊接温度，导致接头性能衰减(机械强度，耐腐蚀能)，现有压焊技术(电阻焊、摩擦焊和热压扩散焊)，存在焊接温度高，保温时间长和焊件变形较大接头残余应力高的问题。同时，以上的焊接技术(热压除外)的连接温度都是在高于锆的熔点(1852℃)，这会导致受控区域内锆合金着火和核燃料脱氧，同时锆及其合金在850℃左右会发生晶格转变，由低中子吸收截面的α相相变为不耐中子辐照的β相。热压焊接虽然可以在一定程度上降低锆的连接温度(≥900℃)，但其保温时间往往过长(3h)。因此为促进锆及其合金安全可靠高效的核工业应用，发展新型的锆包壳组件低温快速连接技术是亟需解决的关键问题。

针对现有锆的连接技术存在焊接温度高和保温时间长等问题，本发明提出采用放电等离子技术扩散连接锆，利用电场在样品内部产生的焦耳热和电场效应促使锆及其合金在低温下实现快速连接。

发明内容

针对现有焊接技术(TIG、电子束和电阻焊等)连接锆时，存在较高的焊接温度过高弱化接头性能进而降低接头服役可靠性和保温时间过长阻碍锆的高效核工业应用的技术难题。本发明提出一种锆及其合金的低温快速放电等离子扩散连接方法。该方法可以有效的降低焊接温度和保温时间，实现锆同质接头的无缝连接，而且接头的变形较小残余应力低，进而提高接头的强度和服役的可靠性，有利于高性能核燃料锆包壳组件的制造。

本发明的技术方案如下：

一种锆及其合金的低温快速放电等离子扩散连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)母材准备：

采用工业锆或锆合金作为母材，分别用320#、600#、800#、1000#、1500#、2000#的砂纸对待焊表面进行打磨，然后用1μm的金刚石悬浮抛光液对母材件的待焊表面进行抛光，并用超声清洗去除表面污渍，且烘干备用；

2)装配：

两种装配方式，其一为使用石墨模具，其二为不使用石墨模具；二者均按照石墨压头-石墨箔-待焊锆母材-待焊锆母材-石墨箔-石墨压头的装配次序装配；

3)放电等离子扩散焊连接：

采用放电等离子扩散连接技术对两块待焊锆母材进行低温固相扩散连接，且两种装配方式的焊接过程具有差异。

进一步的，所述步骤3)中若装配过程中使用石墨模具，焊接过程为：

将石墨模具置于烧结炉腔中，将主测温热电偶插入石墨膜腔的热电偶测温孔中，同时上下压头也用系统配备的热电偶进行温度检测；调整连接压力，打开真空泵使得炉内真空度达到指定要求，调节连接过程所需的功率，然后通入直流脉冲电流升温至扩散焊温度，保温一定时长，进行焊接作业。