本發(fā)明涉及一種異種難熔合金的低溫連接方法，尤其涉及一種tzm/wre異種合金的連接方法。
背景技術：
tzm合金是在mo基體中加入總量不超過1％的ti和zr而形成的一種高溫合金。與純鉬相比，tzm合金具有更高的再結晶溫度和高溫強度。tzm合金應用廣泛，如：利用其良好的抗蝕性，用于彩色顯像管玻殼生產(chǎn)線上玻璃熔爐和用鉑銠包復攪拌器的主軸；利用其高熔點的特性，用于制造有色金屬的壓鑄模具；利用其高溫高壓下良好的力學性能，用于魚雷發(fā)動機上的配氣閥體、火箭噴嘴等軍事構件。
wre合金是由w和re所組成的合金。re的再結晶溫度比w高500℃，且re不存在塑脆轉變溫度。因此，re的加入可顯著改善w的室溫脆性，降低塑脆轉變溫度，并能在一定的高溫區(qū)域增強w的力學性能。隨著國防工業(yè)及國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，wre合金零部件在各領域的應用日益廣泛，例如固體火箭發(fā)動機噴管、核燃料貯存和控制裝置、極端環(huán)境熱電偶及航空電磁機電接點材料等。
tzm合金和wre合金連接在一起形成的復合結構，對于拓展tzm合金在高溫環(huán)境中應用具有非常重要的意義。然而，由于tzm合金和wre合金的物理、化學性能差異大(如熔點差異大)，使得兩者之間的連接非常困難。目前主要采用熔焊、釬焊、固相擴散連接及瞬間液相連接來實現(xiàn)難熔合金的連接。但這些方法存在許多不足：熔焊容易產(chǎn)生裂紋，而且熔池中形成的新合金，往往具有較強的脆性，導致焊縫抗拉強度不高，難于制得高強度的接頭；固相擴散連接及瞬間液相連接所需溫度高、保溫時間長，導致兩者間的連接耗時、耗能，且容易出現(xiàn)嚴重的再結晶問題，導致材料力學性能大幅下降、工件變形；釬焊雖然連接溫度較低，但由于釬料的熔點普遍較低，因此釬焊不僅難以充分發(fā)揮出難熔金屬高溫力學性能優(yōu)異的長處，而且焊縫在高低溫循環(huán)過程中極易開裂，導致氣密性無法滿足實際應用要求，嚴重限制了其應用范圍。
放電等離子燒結技術(sparkplasmasintering，sps)，是近20年發(fā)展起來的一種新型的粉末快速燒結技術，多應用于難熔金屬的粉末冶金領域。隨著sps技術的逐漸發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)其不但在粉末冶金領域有著傳統(tǒng)方法無法逾越的優(yōu)點，而且其在焊接領域也有獨特的優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)同種、異種金屬，甚至金屬與陶瓷之間的直接連接。因此，通過實驗摸索，采用sps技術有望實現(xiàn)對tzm合金與wre合金之間的可靠氣密連接。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有難熔金屬，尤其是tzm合金與wre合金連接技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于將放電等離子燒結技術用于難熔合金的固相擴散連接，提供一種添加ti粉作為活性中間層的tzm和wre異種合金的連接方法，降低焊接溫度，以避免母合金再結晶的同時促進原子擴散，進而提高焊接接頭的力學性能。
本發(fā)明解決技術問題，采用如下技術方案：
本發(fā)明tzm和wre異種合金的低溫連接方法，是以ti粉作為活性中間層，通過放電等離子燒結技術對tzm合金與wre合金在低于母材的再結晶溫度下進行擴散焊接，從而獲得tzm合金與wre合金的連接件。具體包括如下步驟：
步驟1、
取待連接的tzm合金和wre合金，對tzm合金和wre合金的待連接表面進行預磨、拋光和超聲清洗并真空干燥；
步驟2、
稱量粒徑在30～60μm的ti粉；
步驟3、
取石墨模具，所述石墨模具包括上壓頭、下壓頭及石墨陰模；
將處理好的tzm合金、ti粉及處理好的wre合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為20～60mpa，
升溫速率為20～300℃/min，
連接溫度為800～1100℃，
保溫時間為10～120min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為2～40℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件，所述連接件的ti活性中間層的厚度在40～120μm。
具體實施中，所述連接溫度為800～1100℃時，對應施加的脈沖直流電流密度為400～600a/cm2。
最優(yōu)選的，步驟4所述焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從900℃降至600℃的區(qū)間降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻。
上述最優(yōu)條件是基于單變量的科學實驗設計，以及大量實驗摸索而獲得的，在此條件下，產(chǎn)品的綜合性能最優(yōu)。
優(yōu)選的，所述連接件的ti活性中間層厚度在60～80μm。中間層的厚度過薄，會影響焊縫平整度，使tzm和wre合金的連接受限，過厚又會降低連接件的力學性能。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
1、本發(fā)明采用放電等離子燒結技術可實現(xiàn)tzm合金與wre合金的快速高效連接，與傳統(tǒng)的連接工藝相比，該方法連接溫度低、保溫時間短、能耗低、對設備真空度要求低；通過添加ti粉作為活化中間層，降低了tzm/wre異種合金的連接溫度，避免母合金發(fā)生再結晶，顯著改善焊接接頭的高溫性能和使用壽命。
2、通過本發(fā)明的焊接方法可保證母材不發(fā)生再結晶的同時，得到強度高、成型好的tzm/wre異種合金連接件，接頭室溫剪切強度可達263mpa。
3、本發(fā)明優(yōu)化了tzm合金與wre合金的sps連接工藝，當軸向壓力、加熱速率、連接溫度、保溫時間和降溫速率分別優(yōu)選為50mpa、100℃/min、900℃、30min和20℃/min(降溫速率在600～900℃區(qū)間為20℃/min)時，更能充分發(fā)揮該連接工藝的優(yōu)勢，在保證有足夠厚的擴散層的同時有效抑制母合金再結晶過程的晶粒長大。
具體實施方式
如下通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。
下述實施例中所用的tzm合金和wre合金均為鍛造態(tài)：tzm合金的成分為0.4～0.6wt.％的ti、0.07～0.12wt.％的zr和0.01～0.04wt.％的c，其余為mo(不計雜質含量)，平均晶粒尺寸為100μm；wre合金的成分為24～26wt.％的re，其余為w(不計雜質含量)，平均晶粒尺寸為10μm。
下述實施例所用放電等離子燒結爐為日本sinterlandinc公司生產(chǎn)的labox-350放電等離子燒結系統(tǒng)，其電流類型為直流脈沖電流，脈沖序列為40:7；所用石墨模具的內徑為φ8mm。
實施例1
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中鈦活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為263mpa。
實施例2
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為800℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為142mpa。
實施例3
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為1000℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為121mpa。
實施例4
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為20mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為136mpa。
實施例5
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為10min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為170mpa。
實施例6
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為50mpa，
升溫速率為100℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為60min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為191mpa。
實施例7
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為60mpa，
升溫速率為20℃/min，
連接溫度為800℃，
保溫時間為120min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為40℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為197mpa。
實施例8
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為40mpa，
升溫速率為50℃/min，
連接溫度為1000℃，
保溫時間為60min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為30℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為147mpa。
實施例9
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為30mpa，
升溫速率為80℃/min，
連接溫度為900℃，
保溫時間為60min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為20℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為215mpa。
實施例10
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為20mpa，
升溫速率為200℃/min，
連接溫度為1000℃，
保溫時間為30min，
降溫速率為：從連接溫度降至600℃的區(qū)間的降溫速率為10℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為126mpa。
實施例11
本實施例的tzm/wre異種合金的低溫擴散焊接按如下步驟進行：
步驟1、
對tzm合金和wre合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1500、#2000金相砂紙進行預磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗。
步驟2、
用電子天平(精度為0.1mg)稱取0.0158g粒徑46μm的ti粉，以保證后期連接件中ti活性中間層厚度在60～80μm。
步驟3、
將處理好的tzm合金、ti粉和wre合金自上而下依次放入石墨陰模中，然后用上、下壓頭壓緊，同時使ti粉活性中間層位于石墨陰模高度的正中間位置。
步驟4、
將裝有待焊接件的石墨模具置于放電等離子燒結系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脈沖電流，對tzm合金和wre合金進行擴散焊接，焊接工藝條件為：
軸向壓力為20mpa，
升溫速率為300℃/min，
連接溫度為1100℃，
保溫時間為10min，
降溫速率為：從連接溫度降至1000℃的區(qū)間的降溫速率為5℃/min，從1000℃降至600℃的區(qū)間的降溫速率為14℃/min，從600℃降至室溫區(qū)間隨爐冷卻；
待冷卻后即獲得tzm合金與wre合金的連接件。經(jīng)測定，接頭的室溫剪切強度為97mpa。
以上僅為本發(fā)明的示例性實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。