一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核動力裝備焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]鋯合金與不銹鋼過渡接頭是反應(yīng)堆燃料包殼實驗裝置中鋯合金燃料包殼管和不銹鋼電加熱元件套管連接用結(jié)構(gòu)件。該實驗裝置模擬核反應(yīng)堆堆內(nèi)運行狀態(tài)，考驗燃料元件在正常運行和事故工況下燃料包殼材料的各種狀態(tài)。過渡接頭結(jié)構(gòu)件為管狀結(jié)構(gòu)，長度為100mm，外徑為0 lOmm?0 12mm，內(nèi)徑為0 6mm，由錯合金和不銹鋼通過焊接而成(請參考附圖1)。鋯合金與不銹鋼焊接性能很差，主要有兩方面原因:(1)脆性金屬間化合物的形成，使得接頭機械強度和耐腐蝕性能降低。(2)兩種材料熱膨脹系數(shù)相差很大，連接后會造成很大的熱應(yīng)力。目前，真空釬焊和中間添加過渡層的爆炸焊和真空擴散焊等可以獲得綜合性能比較好的過渡接頭。文獻《Hard-Soldering Method, Particularly for JoiningNuclear-Reactor Components))采用銀基釬料硬釬焊工藝進行錯合金與不銹鋼釬焊連接。為了減少釬焊區(qū)域脆性金屬間化合物形成提高結(jié)構(gòu)件性能，通過在鋯合金母材上預(yù)先涂上釬料，然后加熱不銹鋼，再將處于冷態(tài)的鋯合金放在不銹鋼上，利用不銹鋼自身的熱傳輸進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，釬焊時間控制在1~2秒。通過控制釬焊時間，減少釬焊區(qū)域脆性金屬化合物形成。板形結(jié)構(gòu)單元應(yīng)施加l~4Kg的壓力，管-管結(jié)構(gòu)單元利用不銹鋼與鋯合金線膨脹系數(shù)差異進行約束。文獻《Zirconium Brazing System》采用不添加鈷的不銹鋼-鋯釬料進行堆內(nèi)鋯合金燃料組件套管與不銹鋼支撐架釬焊，釬焊溫度約為1150°C。文獻《鋯合金與不銹鋼連接技術(shù)》指出用銀、銀-銦和鋯-鈹5%釬料進行鋯合金與不銹鋼釬焊，可以獲得具有一定強度的接頭。
[0003]從目前公開的文獻來看，鋯合金與不銹鋼釬焊主要問題是釬料與鋯合金母材過合金化造成的溶蝕問題和母材晶粒長大問題。因為鋯合金活性很好，可同大多數(shù)熔化的釬料發(fā)生過合金化，導(dǎo)致釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇。采用銀、銀-銦和鋯-鈹5%進行鋯合金與不銹鋼釬焊，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，這是因為在釬焊區(qū)域形成了脆性相。另外含鈹?shù)拟F料，由于劇毒對人體危害巨大，使用時需要有可靠的防護措施。采用不銹鋼-鋯釬料釬焊，由于釬焊溫度達到了 1150°C，會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降。
[0004]綜上所述，本申請發(fā)明人在實現(xiàn)本申請實施例中發(fā)明技術(shù)方案的過程中，發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題:
在現(xiàn)有技術(shù)中，由于鋯合金活性很好，可同大多數(shù)熔化的釬料發(fā)生過合金化，導(dǎo)致釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，采用銀、銀-銦和鋯-鈹5%進行鋯合金與不銹鋼釬焊，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，這是因為在釬焊區(qū)域形成了脆性相，另外含鈹?shù)拟F料，由于劇毒對人體危害巨大，使用時需要有可靠的防護措施，采用不銹鋼-鋯釬料釬焊，由于釬焊溫度達到了 1150°C，會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降，所以，現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較大，以及會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較大，以及會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降的技術(shù)問題，實現(xiàn)了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較小，不會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)件性能較好的技術(shù)效果。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供了一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，所述工藝包括:
首先，進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
然后，進行所述鋯合金單元表面改性處理；
然后，將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝；
然后，將組裝好后的部件進行低溫預(yù)處理；
最后，將低溫預(yù)處理后的部件進行釬焊。
[0007]進一步的，所述工藝步驟在釬焊后還包括:
將釬焊后的部件進行性能檢測；
將性能檢測后的部件進行成品加工。
[0008]進一步的，所述釬焊用母材為鋯合金和不銹鋼，其中，鋯合金牌號為Zr-2或Zr-4，不銹鋼牌號為OCr 18Ni 1Ti。
[0009]進一步的，所述進行錯合金單元和不銹鋼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計具體為:
將所述鋯合金單元的下端加工為直徑為第一直徑的圓柱狀；
在所述不銹鋼單元上端設(shè)置一直徑為第二直徑的圓柱凹槽，其中，所述第二直徑的值大于等于所述第一直徑的值。
[0010]進一步的，所述進行所述鋯合金單元表面改性處理具體為:在鋯合金表面離子注Ti，通過真空離子注入Ti工藝，在鋯合金釬焊面形成一層Ti的保護層。
[0011]進一步的，所述將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝具體為: 將待焊的鋯合金和不銹鋼結(jié)構(gòu)單元進行去油處理，按照釬料與粘接劑的預(yù)設(shè)配比進行配料，并預(yù)先將釬料刷涂在釬焊結(jié)合面上及釬料流入端。
[0012]進一步的，所述將低溫預(yù)處理后的部件進行釬焊具體為:采用真空釬焊工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊，釬焊方位為垂直漫流，釬焊工藝參數(shù)如下:
a工作真空度..( 5X10' b釬焊溫度:960°C?980°C ； c保溫時間:5 min?15min ； d降溫方式:真空狀態(tài)下隨爐冷卻。
[0013]本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點:
由于采用了首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預(yù)處理，最后將低溫預(yù)處理后的部件進行釬焊的工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，即，根據(jù)燃料包殼實驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用要求，采用鎳基釬料進行了鋯合金和不銹鋼釬焊，通過鋯合金表面離子注入工藝，在鋯合金表面形成Ti保護層，阻斷釬料與鋯合金高溫反應(yīng)。焊件檢驗結(jié)果表明，鎳基釬料對母材的潤濕性較好，與鋯合金和不銹鋼均形成了一定厚度的擴散層，Ti層與母材結(jié)合良好，沒有高溫溶蝕跡象，所以，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較大，以及會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較小，不會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)件性能較好的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0014]圖1是本申請中鋯合金與不銹鋼過渡接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本申請實施例一中鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝流程示意圖；
圖3是本申請實施例一中錯合金單元與不銹鋼單元配合結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本申請實施例一中鋯合金單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本申請實施例一中不銹鋼單元結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，1-錯合金單元，2-焊縫，3-不銹鋼單元。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明提供了一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較大，以及會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降的技術(shù)問題，實現(xiàn)了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較小，不會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)件性能較好的技術(shù)效果。
[0016]本申請實施中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題?？傮w思路如下:
采用了首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預(yù)處理，最后將低溫預(yù)處理后的部件進行釬焊的工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，即，根據(jù)燃料包殼實驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用要求，采用鎳基釬料進行了鋯合金和不銹鋼釬焊，通過鋯合金表面離子注入工藝，在鋯合金表面形成Ti保護層，阻斷釬料與鋯合金高溫反應(yīng)。焊件檢驗結(jié)果表明，鎳基釬料對母材的潤濕性較好，與鋯合金和不銹鋼均形成了一定厚度的擴散層，Ti層與母材結(jié)合良好，沒有高溫溶蝕跡象，所以，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較大，以及會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件性能下降的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹?shù)拟F料對人體危害較小，不會出現(xiàn)鋯合金母材相變晶粒長大現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)件性能較好的技術(shù)效果。
[0017]為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細的說明。
[0018]實施例一:
在實施例一中，提供了一種核反應(yīng)堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，請參考圖1-圖5，所述工藝包括:
S10，進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
S20，進行所述錯合金單元表面改性處理；
S30，將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝；
S40，將組裝好后的部件進行低溫預(yù)處理；
S50，將低溫預(yù)處理后的部件進行釬焊。
[0019]其中，在本申請實施例中，所述工藝步驟在釬焊后還包括:
將釬焊后的部件進行性能檢測；