一種鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，主要是在鈷基高溫合金與石墨待連接的接觸界面之間添加Ti?Cu中間合金，將其進行真空擴散連接，工藝參數為：加熱過程的升溫速率為2℃～8℃/min，在420℃和600℃各保溫時間10min～15min；連接溫度720℃～800℃、保溫時間60min～120min、連接壓力3MPa～10MPa、真空度為1.33×10?5～1.33×10?4Pa；降溫過程：從連接溫度至600℃降溫速率3℃～5℃/min；600℃以下降溫速率5℃～10℃/min。該發明可以促進鈷基高溫合金與石墨材料的界面擴散結合，具有工藝簡潔，便于推廣應用等優點。
【專利說明】
一種鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法
技術領域
[0001]本發明涉及金屬材料與無機非金屬材料的連接，特別是高溫合金與石墨的擴散連接，屬于焊接技術領域。
【背景技術】
[0002]鈷基高溫合金是含鈷量40?65%高溫合金。在730?1100°C的高溫下具有良好的抗氧化性、耐熱蝕性和綜合性能，適于制作航空噴氣發動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機葉片、柴油機噴嘴等，是國防工業熱端部件使用的關鍵材料。
[0003]石墨是一種新型高強材料，具有優異的耐腐蝕性、耐高溫和較高的耐壓強度等特點，廣泛用于石油化工、電力、冶金等工業領域，如反應釜、發電機、電極、電刷等。石墨還可用作核反應堆中子減速劑以及火箭噴嘴、導彈鼻錐、宇航裝備零部件、隔熱材料、防輻射材料等。石墨的化學成分是純碳元素，原子序數為6，熔點為3727°C。石墨的主要特性是在高溫中具有穩定而較高的強度，從室溫到2500°C強度較穩定，還有增加的趨勢。石墨還具有良好的導熱性和導電性。
[0004]鈷基高溫合金與石墨的連接在國防和民用工業領域具有廣闊的發展前景。因此高溫合金與石墨的可靠連接是急需解決的技術問題。
[0005]目前針對鈷基高溫合金與石墨的連接有如下幾種方法:一是采用機械連接;二是采用粘結劑(包括有機粘結劑和無機粘結劑)。這兩種連接方法都存在接頭可靠性低，應用范圍受限的問題。如果能采用焊接方法將高溫合金與石墨可靠地連接起來，將大大推進高溫合金與石墨材料在國防和民用工業領域的應用。
[0006]將高溫合金與石墨進行異種材料的連接，制成的復合結構件，可以充分發揮金屬材料與無機非金屬材料各自的性能優勢、大大提高復合結構和裝備的使用壽命。但是由于石墨塑性差、線脹系數小，特別是高溫合金與石墨的熱物理性能差異很大，所以高溫合金與石墨的焊接極為困難。
[0007]鈷基高溫合金與石墨的焊接，主要存在兩方面的問題。一是由于鈷基高溫合金與石墨之間的線脹系數差距較大(α高溫合金=11.8X10—6K?16.2X10—6Κ、α石墨=4X10—6?6X10—6Κ)，二者相差約3倍，焊接件在冷卻過程中由于熱應力差異導致出現裂紋。二是由于高溫合金熔點較石墨相比低很多，正常焊接條件下界面處難以形成有效結合。因此，高溫合金與石墨在焊接加熱及冷卻過程中會產生很大的熱應力，連接界面處易產生裂紋，甚至導致接頭斷裂，阻礙了高溫合金與石墨復合結構的推廣應用。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種高溫合金與石墨的擴散連接方法，采用這項技術可獲得界面結合良好的高溫合金與石墨的擴散焊接頭，滿足高溫合金與石墨復合結構在耐熱、耐腐蝕場合中的使用要求。
[0009]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:在高溫合金與石墨的待連接面之間添加T1-Cu合金層，在真空條件下通過控制溫度、壓力和擴散時間等實現高溫合金與石墨的可靠連接。所采用的工藝步驟如下:
(1)焊接前對鈷基高溫合金與石墨連接處進行預處理:將高溫合金與石墨的待連接表面經過機械加工和(或)化學處理；
(2)在鈷基高溫合金與石墨待連接處放置T1-Cu合金，用502粘結劑粘連Cu箔，鈦粉均勻鋪設，并將添加中間層的待焊工件疊放裝配好，高溫合金在下，石墨在上。
[0010](3)將裝配好的高溫合金與石墨待連接件放置于擴散連接設備的真空室中，用耐熱材料制備的上、下壓頭壓緊待擴散連接的工件，要求整個組合焊件與壓頭的接觸表面平行；
(4)擴散連接工藝參數為:加熱過程的升溫速率為2°C?8 °C /min，在420 V和600 V附近各設置一個保溫平臺，保溫時間1min?15min;連接溫度720°C?800°C、保溫時間60min?120min、連接壓力3MPa?lOMPa、真空度為1.33 X 10—5?I.33 X 10—4Pa;
(5)緩慢降溫，從連接溫度至600V降溫速率3 °C?5 °C/min; 600 °C以下降溫速率5 V?10°C/min;待真空室溫度緩慢冷卻至80°C以下，可打開爐門取出被連接件。
[0011]本發明采用的T1-Cu中間層為純度大于99.6%的純鈦粉末+Cu箔，Ti粉的粒度為200目?300目，Cu箔厚度為ΙΟμπι?50μπι。銅箔的化學成分(以質量百分比計)為:C 0.05%?0.10%，Fe 0.15%?0.25%，Si 0.05?I.0%，余為Cu。添加T1-Cu中間合金有利于促進高溫合金與石墨界面的擴散結合。
[0012]本發明的有益效果是:
本發明提出的鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，界面處發生Ti與C的擴散反應生成TiC等新的物相并促進高溫合金與石墨界面的擴散結合。
[0013]常規的金屬材料(如碳鋼、不銹鋼等)與石墨的擴散連接溫度為900°C(甚至1000°C)以上，只有共晶體滲透到石墨孔隙中，才能形成牢固的接頭。與常規金屬材料與石墨擴散焊相比，本發明提出的高溫合金與石墨的擴散連接工藝比常規擴散焊技術降低連接溫度130°C?280°C，具有顯著的節能效果，擴散連接接頭性能穩定可靠，便于推廣應用。
[0014]本發明具有工藝簡單、操作方便，便于推廣應用等優點，尤其適用于高溫合金與石墨復合結構的連接。連接接頭的剪切強度能夠滿足高溫合金與石墨擴散焊接頭耐熱、耐腐蝕性場合的使用要求。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
長度為100mm、寬度為40mm、厚度為20mm的鈷基高溫合金與長度為100mm、寬度為40mm、厚度為40mm的石墨板材的擴散連接，連接面為I OOmm X 40mm接觸面。工藝步驟如下:
(I)機械磨削加工鈷基高溫合金和石墨待連接面，將高溫合金和石墨待連接表面用無水乙醇擦拭，以去除表面的油污和雜物;用濃度10%的鹽酸溶液將高溫合金待連接面的氧化月吳去除O
[0016](2)用純度大于99.6%的鈦粉+Cu箔作為中間層，鈦粉粒度280目，銅箔厚度30μπι，Cu箔的化學成分(以質量百分比計)為:C 0.06%,Fe 0.18%,Si 0.8%，余為Cu。
[0017](3)將T1-Cu中間合金放置于矩形狀高溫合金和石墨待連接面之間，用502粘結劑粘連Cu箔，鈦粉鋪設均勻，將工件疊放裝配好，鈷基高溫合金在下，石墨板材在上。
[0018](4)將裝配好的工件放置于擴散連接設備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求整個組合焊件與壓頭的接觸表面平行。
[0019](5)加熱過程設置兩個保溫平臺，420°C前升溫速率3°C/min，420°C?600°C升溫速率5 °C/min，600 °C至連接溫度升溫速率4°C/min，平臺保溫時間1min。
[0020](6)擴散連接工藝參數為:連接溫度780°C、保溫時間60min、連接壓力4MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0021 ] (7)緩慢降溫，從連接溫度至600 V降溫速率5 0C/min; 600 °C以下降溫速率8 V /min。
[0022](8)待真空室溫度緩慢冷卻至80 °C以下，可打開爐門取出工件。
[0023]經檢測，矩形狀高溫合金與石墨擴散連接界面結合良好，擴散連接接頭剪切強度高于石墨的剪切強度。能夠滿足高溫合金與石墨連接接頭耐熱、耐腐蝕性場合的使用要求。
[0024]實施例2
直徑為80mm、厚度為20mm的圓盤狀鈷基高溫合金與同等尺寸的石墨圓盤狀板的擴散連接，連接面為直徑80mm的圓形接觸面。工藝步驟如下:
(I)用車削加工方法分別將鈷基高溫合金和石墨加工成符合尺寸要求的圓盤狀。機械磨削加工高溫合金和石墨待連接面，用無水乙醇擦拭高溫合金和石墨待連接表面，去除表面的油污和雜物;用濃度10%的鹽酸溶液將高溫合金待連接面的氧化膜去除。
[0025](2)用純度大于99.6%的鈦粉+Cu箔作為中間層，鈦粉粒度300目，銅箔厚度30μπι，Cu箔的化學成分(以質量百分比計)為:C 0.06%,Fe 0.18%,Si 0.8%，余為Cu。
[0026](3)將T1-Cu中間合金放置于圓盤狀高溫合金和石墨待連接面之間，用502粘結劑粘連Cu箔，鈦粉鋪設均勻，將工件疊放裝配好，高溫合金在下，石墨圓盤板在上。
[0027](4)將裝配好的圓盤狀工件放置于擴散連接設備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求整個組合焊件與壓頭的接觸表面平行。
[0028](5)加熱過程設置兩個保溫平臺，400°C前升溫速率3°C/min，400°C?600°C升溫速率6 °C/min，600 °C至連接溫度升溫速率5 °C/min，平臺保溫時間1min。
[0029](6)擴散連接工藝參數為:連接溫度730°C、保溫時間80min、連接壓力3MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0030](7)緩慢降溫，從連接溫度至600 V降溫速率5 0C/min; 600 °C以下降溫速率8 V /min。
[0031]經檢測，圓盤狀高溫合金與石墨擴散連接界面結合良好，擴散連接接頭剪切強度高于石墨的剪切強度。能夠滿足高溫合金與石墨連接接頭耐熱、耐腐蝕性場合的使用要求。
【主權項】
1.一種鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)焊前將鈷基高溫合金與石墨連接處進行機械加工，并對待連接處進行預處理； (2)在鈷基合金與石墨待連接件中間添加T1-Cu中間合金以促進其界面擴散結合； (3)將待連接工件疊放裝配好，置于擴散連接設備的真空室中，高溫合金在下，進行真空擴散連接； (4)擴散連接工藝參數為: 加熱過程:升溫速率為2 °C?8 °C/min，在420 °C和600 °C時各保溫1min?15min ； 連接溫度720°C?800°C、保溫時間60min?120min、連接壓力3MPa?lOMPa、真空度為1.33X10—5 ?1.33 X 10—4Pa; 降溫過程:從連接溫度至600 V降溫速率3 V?5 °C/min; 600 V以下降溫速率5 °C?10°C/min； (5)待真空室溫度緩慢冷卻至80°C以下，可打開爐門取出被連接件。2.根據權利要求1所述的鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(1)中的機械加工為銑床或磨床加工，預處理為用無水乙醇擦拭和用濃度10%的鹽酸溶液將高溫合金待連接面的氧化膜去除。3.根據權利要求1所述的鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中的T1-Cu中間合金為純度大于99.6%的純鈦粉末+Cu箔，銅箔的化學成分(以質量百分比計)為:C 0.05%?0.10%，Fe 0.15%?0.25%，Si 0.05?I.0%，余為Cu。4.根據權利要求1所述的鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，其特征在于，所述步驟(3)中，具體處理方法為:用上、下壓頭壓緊待擴散連接的工件，要求整個組合焊件與上、下壓頭的接觸表面平行。5.根據權利要求1所述的鈷基高溫合金與石墨的擴散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中的T1-Cu中間合金所述Ti粉的粒度為200目?300目，Cu箔厚度為ΙΟμπι?50μπι。
【文檔編號】B23K20/16GK106077936SQ201610455497
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】李嘉寧, 張元彬, 劉鵬, 石磊
【申請人】山東建筑大學