一种制备耐高温石墨‑HastelloyN合金接头的方法与流程

本发明涉及钎焊技术领域，涉及一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，尤其涉及一种利用钛-镍接触反应获得应用于高温环境（700℃）的石墨/Hastelloy N合金接头的方法。

背景技术：

熔盐堆作为第四代核反应堆候选堆型之一，具有核燃料可持续利用、高的热转化效率、突出的固有安全性等优点，受到广泛关注。2011年，熔盐堆被批准为中国科学院首批“未来先进核裂变”战略先导科技专项启动实施。美国政府也于2015年批准重启高温熔盐堆项目。

Hastelloy N合金作为一种固溶强化型Ni基高温合金，具有优良的高温力学性能、抗氧化性、耐腐蚀及耐辐照性能。在熔盐堆中，Hastelloy N合金常被用来制造回路管道、堆芯容器及换热器等结构部件。

石墨是一种重要的结构材料、功能材料和生物医用材料，具有质量轻、稳定性高、耐腐蚀性强等优点，在航空、航天、航海、核电等领域均有广阔的应用前景。在核电领域，石墨是反应堆中重要的慢化材料。解决石墨与Hastelloy N合金的连接问题对发展熔盐堆至关重要。

由于石墨与金属材料的物理、化学性能差异很大，采用常规的熔焊技术难于实现两者间的连接。目前，连接石墨与金属材料最常见的方法是钎焊，该方法具有成本低、操作简单、不破坏母材原有结构等优点，获得的接头连接强度高且性能稳定。当采用常规的银或金基钎料连接石墨与Hastelloy N合金时，由于这类钎料抗中子辐照能力较弱，在强辐照条件下接头的稳定性差。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种成本低、操作简单、不破坏母材原有结构，且所得接头连接强度高、性能稳定的利用钛-镍接触反应获得应用于高温环境（700℃）的石墨/Hastelloy N合金接头的方法，同时抗中子辐照能力强。

所述的一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，其特征在于将石墨、钛箔和Hastelloy N合金依次采用胶水进行粘接，接着置于真空钎焊炉中加热钎焊，石墨/钎料界面处形成一层致密的TiC反应层；钎缝内形成了钛-镍化合物；靠近钎缝一侧的Hastelloy N母材内形成了Mo₂C反应带，冷却得到石墨/Hastelloy N合金接头。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于钛-镍化合物包括TiNi、Ti₂Ni、TiNi₃。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，本发明所指的高温环境为600-800℃，其特征在于具体步骤如下：

1）将Hastelloy N合金和石墨放入盛有丙酮的超声波清洗机中进行清洗，接着依次采用400#、600#、1000#、1500#砂纸打磨其待连接面，然后进行抛光；

2）将石墨、钛箔和Hastelloy N合金依次采用502胶进行粘接，接着置于真空钎焊炉中加热至250～350℃，保温25～30min，再加热至920～940℃，保温8～12min，接着加热至钎焊温度，保温5～15min，此时钛与Hastelloy N合金中的镍发生接触反应转变为液相；同时石墨内的碳与Hastelloy N合金内的铬、钼、铁等元素往该液相内溶解；然后降低炉温至室温得到石墨/Hastelloy N合金接头，此时石墨/钎料界面处形成一层致密的TiC反应层；钎缝内形成了钛-镍化合物；靠近钎缝一侧的Hastelloy N母材内形成了Mo₂C反应带。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中钛箔的厚度为0.05～0.15mm，其纯度为99.99%。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中钛箔的厚度为0.127mm，其纯度为99.99%。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中钎焊温度为980～1100℃。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中钎焊温度为1060℃。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中降低炉温至室温的具体操作如下：将炉温以4～8℃/min的速度降至300℃，然后随炉冷却至室温。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于，步骤2）中，降低炉温至室温的具体操作如下：将炉温以6℃/min的速度降至300℃，然后随炉冷却至室温。

所述制备耐高温石墨/Hastelloy N合金接头方法，其特征在于步骤2）中所得石墨/Hastelloy N合金接头的平均剪切强度为22MPa，达到了石墨母材剪切强度的72%，满足实际工况要求。

本发明的有益效果：通过应用钎焊技术实现了石墨与Hastelloy N合金之间的连接，成本低，操作简单，不破坏母材原有结构，同时抗中子辐照能力强。接头在熔盐堆工作温度（700℃左右）下拥有优异的力学性能和稳定能，它为熔盐堆中关键部件的建造提供了理论指导与技术支撑，促进了熔盐堆的发展和应用。

附图说明

图1为本发明实施例4步骤2）中“将石墨，厚度为0.15mm、纯度为99.99%的钛箔，及Hastelloy N合金依次采用502胶进行粘接”的示意图；

图2为本发明实施例4所得石墨/Hastelloy N合金接头的组成示意图。

图中：1-石墨，2-钛箔，3-Hastelloy N合金，4-TiC反应层，5-Ti₂Ni，6-TiNi，7-TiNi₃，8-Mo₂C反应带。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，将石墨、钛箔和Hastelloy N合金依次采用502胶进行粘接，接着置于真空钎焊炉中加热，冷却后得到石墨/Hastelloy N合金接头。

实施例2

本发明提出的一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，具体步骤如下：

1）将Hastelloy N合金和石墨放入盛有丙酮的超声波清洗机中进行清洗，接着依次采用400#、600#、1000#、1500#砂纸打磨其待连接面，然后进行抛光；

2）将石墨，厚度为0.15mm、纯度为99.99%的钛箔，及Hastelloy N合金依次采用502胶进行粘接，接着置于真空钎焊炉中加热至350℃，保温25min，再加热至940℃，保温8min，接着加热至1100℃，保温5min，然后将炉温以8℃/min的速度降至300℃，然后随炉冷却至室温得到石墨/Hastelloy N合金接头。

实施例3

本发明提出的一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，具体步骤如下：

1）将Hastelloy N合金和石墨放入盛有丙酮的超声波清洗机中进行清洗，接着依次采用400#、600#、1000#、1500#砂纸打磨其待连接面，然后进行抛光；

2）将石墨，厚度为0.05mm、纯度为99.99%的钛箔，及Hastelloy N合金依次采用502胶进行粘接，接着置于真空钎焊炉中加热至250℃，保温28min，再加热至920℃，保温12min，接着加热至980℃，保温15min，然后将炉温以4℃/min的速度降至300℃，然后随炉冷却至室温得到石墨/Hastelloy N合金接头。

实施例4

本发明提出的一种制备耐高温石墨-Hastelloy N合金接头的方法，具体步骤如下：

1）将Hastelloy N合金和石墨放入盛有丙酮的超声波清洗机中进行清洗，接着依次采用400#、600#、1000#、1500#砂纸打磨其待连接面，然后进行抛光；

2）如图2，将石墨1，厚度为0.127mm、纯度为99.99%的钛箔2，及Hastelloy N合金3依次采用502胶进行粘接，接着置于真空钎焊炉中以10℃/min的速度加热至300℃，保温30min，再以10℃/min的速度加热至930℃，保温10min，接着加热至1060℃，保温10min，然后将炉温以6℃/min的速度降至300℃，然后随炉冷却至室温得到石墨/Hastelloy N合金接头，其结构如图2所示，此时钛与Hastelloy N合金中的镍发生接触反应转变为液相；同时石墨内的碳与Hastelloy N合金内的铬、钼、铁等元素往该液相内溶解；然后降低炉温至室温得到石墨/Hastelloy N合金接头，此时石墨/钎料界面处形成一层致密的TiC反应层4；钎缝内形成了钛-镍化合物Ti₂Ni5、TiNi6及TiNi₃7；靠近钎缝一侧的Hastelloy N母材内形成了Mo₂C反应带8。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。