一种钴基高温合金与石墨的扩散连接方法
【专利摘要】本发明公开了一种钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，主要是在钴基高温合金与石墨待连接的接触界面之间添加Ti?Cu中间合金，将其进行真空扩散连接，工艺参数为：加热过程的升温速率为2℃～8℃/min，在420℃和600℃各保温时间10min～15min；连接温度720℃～800℃、保温时间60min～120min、连接压力3MPa～10MPa、真空度为1.33×10?5～1.33×10?4Pa；降温过程：从连接温度至600℃降温速率3℃～5℃/min；600℃以下降温速率5℃～10℃/min。该发明可以促进钴基高温合金与石墨材料的界面扩散结合，具有工艺简洁，便于推广应用等优点。
【专利说明】
一种钴基高温合金与石墨的扩散连接方法
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料与无机非金属材料的连接，特别是高温合金与石墨的扩散连接，属于焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]钴基高温合金是含钴量40?65%高温合金。在730?1100°C的高温下具有良好的抗氧化性、耐热蚀性和综合性能，适于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机叶片、柴油机喷嘴等，是国防工业热端部件使用的关键材料。
[0003]石墨是一种新型高强材料，具有优异的耐腐蚀性、耐高温和较高的耐压强度等特点，广泛用于石油化工、电力、冶金等工业领域，如反应釜、发电机、电极、电刷等。石墨还可用作核反应堆中子减速剂以及火箭喷嘴、导弹鼻锥、宇航装备零部件、隔热材料、防辐射材料等。石墨的化学成分是纯碳元素，原子序数为6，熔点为3727°C。石墨的主要特性是在高温中具有稳定而较高的强度，从室温到2500°C强度较稳定，还有增加的趋势。石墨还具有良好的导热性和导电性。
[0004]钴基高温合金与石墨的连接在国防和民用工业领域具有广阔的发展前景。因此高温合金与石墨的可靠连接是急需解决的技术问题。
[0005]目前针对钴基高温合金与石墨的连接有如下几种方法:一是采用机械连接;二是采用粘结剂(包括有机粘结剂和无机粘结剂)。这两种连接方法都存在接头可靠性低，应用范围受限的问题。如果能采用焊接方法将高温合金与石墨可靠地连接起来，将大大推进高温合金与石墨材料在国防和民用工业领域的应用。
[0006]将高温合金与石墨进行异种材料的连接，制成的复合结构件，可以充分发挥金属材料与无机非金属材料各自的性能优势、大大提高复合结构和装备的使用寿命。但是由于石墨塑性差、线胀系数小，特别是高温合金与石墨的热物理性能差异很大，所以高温合金与石墨的焊接极为困难。
[0007]钴基高温合金与石墨的焊接，主要存在两方面的问题。一是由于钴基高温合金与石墨之间的线胀系数差距较大(α高温合金=11.8X10—6K?16.2X10—6Κ、α石墨=4X10—6?6X10—6Κ)，二者相差约3倍，焊接件在冷却过程中由于热应力差异导致出现裂纹。二是由于高温合金熔点较石墨相比低很多，正常焊接条件下界面处难以形成有效结合。因此，高温合金与石墨在焊接加热及冷却过程中会产生很大的热应力，连接界面处易产生裂纹，甚至导致接头断裂，阻碍了高温合金与石墨复合结构的推广应用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种高温合金与石墨的扩散连接方法，采用这项技术可获得界面结合良好的高温合金与石墨的扩散焊接头，满足高温合金与石墨复合结构在耐热、耐腐蚀场合中的使用要求。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:在高温合金与石墨的待连接面之间添加T1-Cu合金层，在真空条件下通过控制温度、压力和扩散时间等实现高温合金与石墨的可靠连接。所采用的工艺步骤如下:
(1)焊接前对钴基高温合金与石墨连接处进行预处理:将高温合金与石墨的待连接表面经过机械加工和(或)化学处理；
(2)在钴基高温合金与石墨待连接处放置T1-Cu合金，用502粘结剂粘连Cu箔，钛粉均匀铺设，并将添加中间层的待焊工件叠放装配好，高温合金在下，石墨在上。
[0010](3)将装配好的高温合金与石墨待连接件放置于扩散连接设备的真空室中，用耐热材料制备的上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求整个组合焊件与压头的接触表面平行；
(4)扩散连接工艺参数为:加热过程的升温速率为2°C?8 °C /min，在420 V和600 V附近各设置一个保温平台，保温时间1min?15min;连接温度720°C?800°C、保温时间60min?120min、连接压力3MPa?lOMPa、真空度为1.33 X 10—5?I.33 X 10—4Pa;
(5)缓慢降温，从连接温度至600V降温速率3 °C?5 °C/min; 600 °C以下降温速率5 V?10°C/min;待真空室温度缓慢冷却至80°C以下，可打开炉门取出被连接件。
[0011]本发明采用的T1-Cu中间层为纯度大于99.6%的纯钛粉末+Cu箔，Ti粉的粒度为200目?300目，Cu箔厚度为ΙΟμπι?50μπι。铜箔的化学成分(以质量百分比计)为:C 0.05%?0.10%，Fe 0.15%?0.25%，Si 0.05?I.0%，余为Cu。添加T1-Cu中间合金有利于促进高温合金与石墨界面的扩散结合。
[0012]本发明的有益效果是:
本发明提出的钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，界面处发生Ti与C的扩散反应生成TiC等新的物相并促进高温合金与石墨界面的扩散结合。
[0013]常规的金属材料(如碳钢、不锈钢等)与石墨的扩散连接温度为900°C(甚至1000°C)以上，只有共晶体渗透到石墨孔隙中，才能形成牢固的接头。与常规金属材料与石墨扩散焊相比，本发明提出的高温合金与石墨的扩散连接工艺比常规扩散焊技术降低连接温度130°C?280°C，具有显著的节能效果，扩散连接接头性能稳定可靠，便于推广应用。
[0014]本发明具有工艺简单、操作方便，便于推广应用等优点，尤其适用于高温合金与石墨复合结构的连接。连接接头的剪切强度能够满足高温合金与石墨扩散焊接头耐热、耐腐蚀性场合的使用要求。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
长度为100mm、宽度为40mm、厚度为20mm的钴基高温合金与长度为100mm、宽度为40mm、厚度为40mm的石墨板材的扩散连接，连接面为I OOmm X 40mm接触面。工艺步骤如下:
(I)机械磨削加工钴基高温合金和石墨待连接面，将高温合金和石墨待连接表面用无水乙醇擦拭，以去除表面的油污和杂物;用浓度10%的盐酸溶液将高温合金待连接面的氧化月吴去除O
[0016](2)用纯度大于99.6%的钛粉+Cu箔作为中间层，钛粉粒度280目，铜箔厚度30μπι，Cu箔的化学成分(以质量百分比计)为:C 0.06%,Fe 0.18%,Si 0.8%，余为Cu。
[0017](3)将T1-Cu中间合金放置于矩形状高温合金和石墨待连接面之间，用502粘结剂粘连Cu箔，钛粉铺设均匀，将工件叠放装配好，钴基高温合金在下，石墨板材在上。
[0018](4)将装配好的工件放置于扩散连接设备的真空室中，并用上、下压头压紧;要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。
[0019](5)加热过程设置两个保温平台，420°C前升温速率3°C/min，420°C?600°C升温速率5 °C/min，600 °C至连接温度升温速率4°C/min，平台保温时间1min。
[0020](6)扩散连接工艺参数为:连接温度780°C、保温时间60min、连接压力4MPa、真空度为 1.33X10—5Pa。
[0021 ] (7)缓慢降温，从连接温度至600 V降温速率5 0C/min; 600 °C以下降温速率8 V /min。
[0022](8)待真空室温度缓慢冷却至80 °C以下，可打开炉门取出工件。
[0023]经检测，矩形状高温合金与石墨扩散连接界面结合良好，扩散连接接头剪切强度高于石墨的剪切强度。能够满足高温合金与石墨连接接头耐热、耐腐蚀性场合的使用要求。
[0024]实施例2
直径为80mm、厚度为20mm的圆盘状钴基高温合金与同等尺寸的石墨圆盘状板的扩散连接，连接面为直径80mm的圆形接触面。工艺步骤如下:
(I)用车削加工方法分别将钴基高温合金和石墨加工成符合尺寸要求的圆盘状。机械磨削加工高温合金和石墨待连接面，用无水乙醇擦拭高温合金和石墨待连接表面，去除表面的油污和杂物;用浓度10%的盐酸溶液将高温合金待连接面的氧化膜去除。
[0025](2)用纯度大于99.6%的钛粉+Cu箔作为中间层，钛粉粒度300目，铜箔厚度30μπι，Cu箔的化学成分(以质量百分比计)为:C 0.06%,Fe 0.18%,Si 0.8%，余为Cu。
[0026](3)将T1-Cu中间合金放置于圆盘状高温合金和石墨待连接面之间，用502粘结剂粘连Cu箔，钛粉铺设均匀，将工件叠放装配好，高温合金在下，石墨圆盘板在上。
[0027](4)将装配好的圆盘状工件放置于扩散连接设备的真空室中，并用上、下压头压紧;要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。
[0028](5)加热过程设置两个保温平台，400°C前升温速率3°C/min，400°C?600°C升温速率6 °C/min，600 °C至连接温度升温速率5 °C/min，平台保温时间1min。
[0029](6)扩散连接工艺参数为:连接温度730°C、保温时间80min、连接压力3MPa、真空度为 1.33X10—5Pa。
[0030](7)缓慢降温，从连接温度至600 V降温速率5 0C/min; 600 °C以下降温速率8 V /min。
[0031]经检测，圆盘状高温合金与石墨扩散连接界面结合良好，扩散连接接头剪切强度高于石墨的剪切强度。能够满足高温合金与石墨连接接头耐热、耐腐蚀性场合的使用要求。
【主权项】
1.一种钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)焊前将钴基高温合金与石墨连接处进行机械加工，并对待连接处进行预处理； (2)在钴基合金与石墨待连接件中间添加T1-Cu中间合金以促进其界面扩散结合； (3)将待连接工件叠放装配好，置于扩散连接设备的真空室中，高温合金在下，进行真空扩散连接； (4)扩散连接工艺参数为: 加热过程:升温速率为2 °C?8 °C/min，在420 °C和600 °C时各保温1min?15min ； 连接温度720°C?800°C、保温时间60min?120min、连接压力3MPa?lOMPa、真空度为1.33X10—5 ?1.33 X 10—4Pa; 降温过程:从连接温度至600 V降温速率3 V?5 °C/min; 600 V以下降温速率5 °C?10°C/min； (5)待真空室温度缓慢冷却至80°C以下，可打开炉门取出被连接件。2.根据权利要求1所述的钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，其特征在于:所述步骤(1)中的机械加工为铣床或磨床加工，预处理为用无水乙醇擦拭和用浓度10%的盐酸溶液将高温合金待连接面的氧化膜去除。3.根据权利要求1所述的钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，其特征在于:所述步骤(2)中的T1-Cu中间合金为纯度大于99.6%的纯钛粉末+Cu箔，铜箔的化学成分(以质量百分比计)为:C 0.05%?0.10%，Fe 0.15%?0.25%，Si 0.05?I.0%，余为Cu。4.根据权利要求1所述的钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，具体处理方法为:用上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求整个组合焊件与上、下压头的接触表面平行。5.根据权利要求1所述的钴基高温合金与石墨的扩散连接方法，其特征在于:所述步骤(2)中的T1-Cu中间合金所述Ti粉的粒度为200目?300目，Cu箔厚度为ΙΟμπι?50μπι。
【文档编号】B23K20/16GK106077936SQ201610455497
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】李嘉宁, 张元彬, 刘鹏, 石磊
【申请人】山东建筑大学