本发明涉及一种异种难熔合金的焊接方法，尤其涉及一种钼合金与钨合金的焊接方法。
背景技术：
钼合金是以钼为基体添加各种合金元素(如ti、zr、hf、w和稀土元素等)而形成的合金，具有高的再结晶温度、优异的高温力学性能和良好的抗腐蚀性能，在航空、航天、核能等领域得到了广泛应用，如：利用其优良的高温力学性能，可用于航天器的散热面板、火箭发动机的喷嘴、鱼雷发动机中承受高温的配气阀体等；利用其对液体金属的良好抗腐蚀性能，可用于制作玻璃熔炉中的搅拌主轴等；还可以用于x射线旋转阳极零件、压铸模具、先进难变形材料的等温锻造模具、高温炉中的发热体和隔热层等。
钨合金，是以钨为基体(w含量85～99wt％)添加re、ti、cr等元素组成的合金体系，具有高熔点、高密度、高硬度、低热膨胀系数、良好的抗蚀性和抗氧化性能、优异的导电导热性能和射线吸收能力等优异性能，已成为武器装备、航空航天、原子能等国防工业领域和微电子信息、电气工程、机械加工等尖端技术领域的关键材料，例如：在兵器领域，可用于超高速动能穿甲弹；在核聚变领域，可用于聚变堆托克马克装置中的面向等离子体材料。
将钼合金与钨合金有效连接，是拓展难熔合金在航空航天、核能等领域中应用的关键。然而，由于这两种材料的物理、化学性能差异大(如熔点差异大)，使得两者之间的连接非常困难。目前主要采用熔焊、钎焊、固相扩散连接及瞬间液相连接来实现高温合金的连接。但这些方法存在许多不足：难于制得高结合强度的接头；对金属件表面的清洁度及设备真空度要求很高；固相扩散连接及瞬间液相连接所需温度高、保温时间长，导致两者间的连接耗时、耗能；熔焊容易产生裂纹；钎焊虽然连接温度较低，但由于钎料的熔点普遍较低，因此钎焊难于制得能在高温下使用的接头。
放电等离子烧结(sparkplasmasintering，sps)技术是利用强脉冲直流电流流经粉末或模具产生焦耳热而对粉末进行快速固结成形的一种新方法。近年来，该方法开始被用于焊接领域。sps焊接工艺是将需要连接的材料放在两个电极之间，施加压力的同时通入脉冲直流电流，利用sps效应使其连接界面产生原子扩散而进行的固相焊接工艺。与传统的固相扩散焊接相比，sps固相扩散焊接的优势不仅仅是加热速率快、能耗低，尤为重要的是sps在传统固相扩散焊接所需的温度场和应力场的基础上引入了电场。在电场的作用下，电迁移效应可加速物质扩散。因此，采用sps技术有望在较低温度和较短时间内实现对钼合金与钨合金的有效连接。另一方面，钼合金和钨合金发生高温再结晶后力学性能会大幅下降。添加低熔点金属或合金作为中间过渡层可降低焊接温度，避免钼合金和钨合金焊接过程中发生再结晶。钛，熔点1660℃，属于难熔金属。钛与钼、钨可形成完全固溶体。因此，采用钛作为钼合金与钨合金扩散焊接的中间过渡层，有望降低焊接温度、避免母材发生再结晶，获得高质量的焊缝组织，进而提高焊接接头的力学性能。
技术实现要素：
针对现有难熔合金，尤其是钼合金与钨合金连接技术的不足之处，本发明的目的在于将sps技术应用于难熔合金的固态扩散连接，提供一种钼合金与钨合金的快速高效焊接方法，通过加入钛箔作为中间过渡层，以降低焊接温度、避免母材再结晶，并在焊缝中通过原子互扩散形成完全固溶体，进而提高焊接接头的力学性能。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明钼合金与钨合金的sps扩散焊接方法，是以钛箔作为中间过渡层，通过sps技术对钼合金与钨合金进行固相扩散焊接，从而获得钼合金与钨合金的连接件。具体包括如下步骤：
步骤1、
取待焊接的钼合金和钨合金，对钼合金和钨合金的待焊接面进行预磨、抛光和超声清洗并真空干燥；
步骤2、
选用厚度在20～40μm、纯度不低于99.5％的钛箔作为中间过渡层，对钛箔进行酸洗、超声清洗并烘干；
步骤3、
取石墨模具，所述石墨模具包括上压头、下压头及石墨阴模；
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自下而上依次放入石墨阴模中，然后用上压头和下压头压紧，同时使钛箔位于石墨阴模高度的正中间位置；
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为20～60mpa，
升温速率为20～300℃/min，
连接温度为800～1100℃，
保温时间为10～120min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为5～30℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。
优选的，步骤1中，通过依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸分别对钼合金与钨合金的待焊接面进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗，使处理好的钼合金与钨合金的待焊接面的平面度不大于0.1mm、粗糙度不大于0.1μm。
优选的，步骤2中，所述酸洗是使用体积浓度为5％的稀盐酸对钛箔浸泡5分钟，所述超声清洗是在酒精中进行。
最优选的，步骤4所述焊接工艺条件为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从900℃降至600℃的区间降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却。
上述最优选的焊接工艺条件是基于单变量的科学实验设计，以及大量实验摸索而获得的，在此条件下，产品的综合性能最优。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用sps技术可实现钼合金与钨合金的快速高效连接，与传统的连接工艺相比，该方法连接温度低、保温时间短、能耗低、对设备真空度要求低；添加钛箔作为中间过渡层，同时通过电迁移效应促进原子扩散，在不降低母材强度的前提下，实现钼合金与钨合金的高效连接。
2、通过本发明的焊接方法可保证母材不发生再结晶的同时，得到强度高、成型好的钼合金与钨合金焊接件，接头室温剪切强度可达296mpa。
3、本发明优化了钼合金与钨合金的sps扩散焊接工艺，当轴向压力、加热速率、连接温度、保温时间和降温速率分别优选为50mpa、100℃/min、900℃、30min、20℃/min时，更能充分发挥该焊接工艺的优势，在保证有足够厚的扩散层的同时有效抑制母材再结晶过程中的晶粒长大。
具体实施方式
如下通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
下述实施例所用放电等离子烧结炉为日本sinterlandinc公司生产的labox-350放电等离子烧结系统，其电流类型为直流脉冲电流，脉冲序列为40:7；所用石墨模具的内径为φ8mm。
下述实施例中所用钼合金为tzm合金，所用钨合金为wre合金，二者均为锻造态：tzm合金的成分为0.4～0.6wt.％的ti、0.07～0.12wt.％的zr和0.01～0.04wt.％的c，其余为mo(不计杂质含量)，平均晶粒尺寸为100μm；wre合金的成分为24～26wt.％的re，其余为w(不计杂质含量)，平均晶粒尺寸为10μm。
实施例1
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.06mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.05μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为296mpa。
实施例2
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.06mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.04μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为800℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为194mpa。
实施例3
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.06mm和0.08μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.06μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为1000℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为137mpa。
实施例4
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.07mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.08mm和0.05μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为20mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为163mpa。
实施例5
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.06mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.08mm和0.05μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为10min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为201mpa。
实施例6
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.08mm和0.05μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为100℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为60min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为20℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为220mpa。
实施例7
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.08mm和0.06μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.1mm和0.07μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为20mpa，
升温速率为300℃/min，
连接温度为1100℃，
保温时间为10min，
降温速率为：从连接温度降至1000℃的区间的降温速率为15℃/min，从1000℃降至600℃的区间的降温速率为30℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为97mpa。
实施例8
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.08mm和0.06μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.1mm和0.07μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为20mpa，
升温速率为200℃/min，
连接温度为1000℃，
保温时间为30min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为30℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为117mpa。
实施例9
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.07mm和0.06μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.05mm和0.08μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为30mpa，
升温速率为80℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为60min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为16℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为243mpa。
实施例10
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.07mm和0.07μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.06mm和0.1μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为30mpa，
升温速率为50℃/min，
连接温度为1000℃，
保温时间为60min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为10℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为115mpa。
实施例11
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.08μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.05mm和0.07μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为60mpa，
升温速率为20℃/min，
连接温度为800℃，
保温时间为120min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为5℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为149mpa。
实施例12
本实施例的钼合金和钨合金的sps扩散焊接按如下步骤进行：
步骤1、
对钼合金与钨合金的待焊接面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂纸进行预磨，而后抛光并在酒精中超声清洗；处理后的钼合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.09mm和0.08μm，处理后的钨合金待焊接面的平面度和粗糙度分别为0.05mm和0.07μm。
步骤2、
将钛箔置于体积浓度为5％的稀盐酸中浸泡5min，随后在酒精中超声清洗，最后烘干备用。
步骤3、
将处理好的钼合金、钛箔、钨合金自上而下依次放入石墨阴模中，然后用上、下压头压紧，同时使钛箔位于阴模高度的正中间位置。
步骤4、
将装有待焊接件的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛中，抽真空至低于8pa，然后通入直流脉冲电流，对钼合金和钨合金进行扩散焊接，焊接工艺为：
轴向压力为50mpa，
升温速率为200℃/min，
连接温度为900℃，
保温时间为10min，
降温速率为：从连接温度降至600℃的区间的降温速率为5℃/min，从600℃降至室温区间随炉冷却；
待冷却后即获得钼合金与钨合金的连接件。经测试，接头的室温剪切强度为210mpa。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。