一種疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，主要是在疊層復(fù)合材料與低合金鋼的接觸界面之間添加鈮箔中間合金，將其進(jìn)行真空擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為：采用逐級(jí)升溫方式，在550℃、750℃和950℃各設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，擴(kuò)散連接溫度1020℃～1180℃、保溫時(shí)間30min～80min、連接壓力5MPa～15MPa、真空度為1.33×10?5～1.33×10?4Pa，待真空室溫度緩慢冷卻至100℃以下，可打開爐門取出被連接件。該發(fā)明可以促進(jìn)疊層復(fù)合材料與低合金鋼的界面擴(kuò)散結(jié)合，連接接頭的強(qiáng)度和力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足對(duì)疊層復(fù)合材料與低合金鋼擴(kuò)散接頭的使用要求。
【專利說明】一種疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接工藝
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種疊層復(fù)合材料的焊接工藝，特別是針對(duì)疊層復(fù)合材料與鋼異種材料之間的擴(kuò)散連接工藝，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]由鎳基覆層和N1-Cr基層通過真空等靜壓乳制方法制成的疊層復(fù)合材料，具有良好的高溫性能以及抗氧化、耐腐蝕性，可應(yīng)用于航空航天、核工程、能源、石化等領(lǐng)域。將這種疊層復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)鋼連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)能發(fā)揮各自的性能，用于特定零部件制造有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
[0005]但是實(shí)現(xiàn)疊層復(fù)合材料的焊接難度很大，使其應(yīng)用受到限制。中國發(fā)明專利ZL200810016502.8實(shí)現(xiàn)了疊層復(fù)合材料與不銹鋼的鎢極氬弧焊，中國發(fā)明專利ZL201010518517.UZL 201010518/04.4和ZL 201110438670.8實(shí)現(xiàn)了疊層復(fù)合材料與不銹鋼的真空釬焊，擴(kuò)大了疊層復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，本質(zhì)上屬熔焊方法的鎢極氬弧焊(ZL200810016502.8)難以適應(yīng)一些精密和形狀復(fù)雜的連接件，釬焊方法(201010518517.1、ZL201010518/04.4和ZL 201110438670.8)用于疊層復(fù)合材料的接頭強(qiáng)度性能也受到一些結(jié)構(gòu)件的使用要求限制。
[0006]因此本發(fā)明針對(duì)熔焊方法和釬焊方法用于疊層復(fù)合材料的不足，提出一種疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法。采用這種方法用于疊層復(fù)合材料與低合金鋼的連接，可實(shí)現(xiàn)連接界面的冶金結(jié)合，連接接頭的應(yīng)力比恪焊時(shí)小的多，連接接頭的強(qiáng)度性能優(yōu)于釬焊接頭的接頭強(qiáng)度，適合連接界面接觸面積大、要求結(jié)合強(qiáng)度高的零部件制造。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未見有關(guān)疊層復(fù)合材料與鋼異種材料之間擴(kuò)散連接的報(bào)道。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有疊層復(fù)合材料焊接技術(shù)的不足，提供了一種焊接效率高和適應(yīng)性強(qiáng)的用于疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接工藝。采用本發(fā)明的方法可獲得界面結(jié)合良好的擴(kuò)散連接接頭。這種方法適用于疊層復(fù)合材料與低合金鋼等異種材料的連接，連接接頭具有良好的強(qiáng)度性能和力學(xué)穩(wěn)定性。
[0009]這種疊層復(fù)合材料利用超級(jí)鎳作韌化復(fù)層，具有很好抗疲勞性能。超級(jí)鎳復(fù)層的厚度僅0.2mm?0.3mm，Ni含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.5%，超出純鎳的國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此稱為超級(jí)鎳?；鶎訛镹1-Cr合金，厚度為2mm?3mm。
[0010]本發(fā)明的工藝步驟如下:
為了實(shí)現(xiàn)疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:在疊層復(fù)合材料與低合金鋼的待連接面之間添加鈮箔合金層，在真空條件下通過控制溫度、壓力和擴(kuò)散時(shí)間等實(shí)現(xiàn)疊層復(fù)合材料與鋼的可靠連接。所采用的工藝步驟如下:
(I)擴(kuò)散連接前對(duì)疊層復(fù)合材料與低合金鋼件連接處進(jìn)行預(yù)處理:將疊層復(fù)合材料的超級(jí)鎳復(fù)層待連接表面經(jīng)過機(jī)械加工方法去除，露出N1-Cr基層，再經(jīng)打磨或化學(xué)處理;對(duì)低合金鋼連接表面進(jìn)行打磨或化學(xué)處理。
[0011](2)在疊層復(fù)合材料N1-Cr基層與低合金鋼待連接處放置鈮箔中間合金層，并將添加中間層的待連接工件疊放裝配好，厚度大的鋼件在下，厚度小的疊層復(fù)合材料在上。
[0012](3)將裝配好的疊層復(fù)合材料與低合金鋼待連接件放置于擴(kuò)散連接設(shè)備的真空室中，用上、下壓頭壓緊待擴(kuò)散連接的工件，要求整個(gè)組合連接件與壓頭的接觸表面平行。
[0013](4)擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為:采用逐級(jí)升溫方式，在550°C、750°C和950°C各設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)保溫時(shí)間1min?15min。擴(kuò)散連接溫度1020 °C?1180 °C、保溫時(shí)間30min?80min、連接壓力5MPa?15MPa、真空度為1.33 X 10—5?I.33 X 1-4Pa0
[0014](5)緩慢降溫，從連接溫度至800 V降溫速率5 °C?10 °C/min; 800 °C以下降溫速率10°C?15°C/min;待真空室溫度緩慢冷卻至100°C以下，可打開爐門取出被連接件。
[0015]本發(fā)明采用的鈮箔中間層為純度大于99.95%的純鈮箔，厚度為ΙΟμπι?40μπι。鈮箔的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為:Nb彡99.95%，其余< 0.05%。添加鈮箔中間合金有利于促進(jìn)疊層復(fù)合材料與低合金鋼界面的擴(kuò)散結(jié)合。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:添加鈮箔中間合金的疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，界面處發(fā)生鈮箔中Nb與低合金鋼中的C擴(kuò)散反應(yīng)，生成NbC等新的物相并促進(jìn)N1-Cr基層與低合金鋼界面的擴(kuò)散結(jié)合。
[0017]本發(fā)明具有工藝簡單、界面冶金結(jié)合、接頭強(qiáng)度穩(wěn)定、便于推廣應(yīng)用等特點(diǎn)，尤其適用于要求界面接觸面積大的疊層復(fù)合材料與低合金鋼結(jié)構(gòu)件的連接。連接接頭的強(qiáng)度和力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足對(duì)疊層復(fù)合材料與低合金鋼擴(kuò)散接頭的使用要求。
【附圖說明】
[0018]圖1，疊層復(fù)合材料與低合金鋼搭接的擴(kuò)散連接示意。
[0019]圖2，疊層復(fù)合材料與低合金鋼雙面搭接的擴(kuò)散連接示意。
[0020]圖中I是疊層復(fù)合材料，2是低合金鋼。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
針對(duì)長度為90mm、寬度為45mm、厚度為3mm的疊層復(fù)合材料與長度為90mm、寬度為90mm、厚度為16mm的Q345低合金鋼搭接進(jìn)行的擴(kuò)散連接，搭接連接面為90mm X 45mm接觸面。工藝步驟如下:
(I)機(jī)械加工去除疊層復(fù)合材料待連接面的超級(jí)鎳覆層，露出待連接面N1-Cr基層(90mmX45mm接觸面)，待連接表面處用金相砂紙打磨后用無水乙醇擦拭，以去除連接表面的油污和雜物。
[0022](2)用純度大于99.95%的鈮箔作為中間層，鈮箔厚度30μπι，鈮箔的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為:Nb彡99.95%，其余彡0.05%。
[0023](3)將鈮箔中間合金放置于矩形狀疊層復(fù)合材料和Q345低合金鋼搭接待連接面之間，將待連接件疊放裝配好，低合金鋼件在下，疊層復(fù)合材料在上。疊層復(fù)合材料與低合金鋼搭接的擴(kuò)散連接如圖1所示。
[0024](4)將裝配好的待連接工件放置于擴(kuò)散連接設(shè)備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求連接界面與壓頭的接觸表面平行。
[0025](5)加熱過程設(shè)置3個(gè)保溫平臺(tái)，550°C前升溫速率8°C/min，550°C?950°C升溫速率6 °C/min，950 °C至連接溫度升溫速率4°C/min，平臺(tái)保溫時(shí)間1min。
[0026](6)擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為:連接溫度1060°C、保溫時(shí)間55min、連接壓力6MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0027](7)緩慢降溫，從連接溫度至800 0C降溫速率6 °C/min; 800 °C以下降溫速率8 V/min。
[0028](8)待真空室溫度緩慢冷卻至100 °C以下，可打開爐門取出工件。
[0029]經(jīng)檢測(cè)，矩形狀疊層復(fù)合材料與低合金鋼搭接的擴(kuò)散連接界面結(jié)合良好，擴(kuò)散連接接頭剪切強(qiáng)度達(dá)340MPa。能夠滿足疊層復(fù)合材料與低合金鋼搭接擴(kuò)散連接接頭的使用要求。
[0030]實(shí)施例2
針對(duì)兩塊長度為60mm、寬度為60mm、厚度為3mm的疊層復(fù)合材料與長度為60mm、寬度為60mm、厚度為25mm的Q345低合金鋼雙面搭接進(jìn)行的擴(kuò)散連接，搭接連接面為60mm X 30mm雙面接觸面。工藝步驟如下:
(I)機(jī)械加工去除疊層復(fù)合材料待連接正反兩面的超級(jí)鎳覆層，露出正反兩側(cè)待連接面N1-Cr基層60mmX 30mm接觸面，兩面待連接表面處用金相砂紙打磨后用無水乙醇擦拭，以去除連接表面的油污和雜物。
[0031](2)用純度大于99.95%的鈮箔作為中間層，鈮箔厚度30μπι，鈮箔的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為:Nb彡99.95%，其余彡0.05%。
[0032](3)將鈮箔中間合金放置于矩形狀疊層復(fù)合材料和Q345低合金鋼正反兩側(cè)的搭接待連接面之間，將待連接件疊放裝配好，低合金鋼件在中間，疊層復(fù)合材料上、下放置。疊層復(fù)合材料與低合金鋼雙面搭接的擴(kuò)散連接如圖2所示。
[0033](4)將裝配好的待連接工件放置于擴(kuò)散連接設(shè)備的真空室中，并用上、下壓頭壓緊;要求組合連接界面與壓頭的接觸表面平行。
[0034](5)加熱過程設(shè)置3個(gè)保溫平臺(tái)，550°C前升溫速率8°C/min，550°C?950°C升溫速率6 °C /min，950 V至連接溫度升溫速率4 °C /min，平臺(tái)保溫時(shí)間12min。
[0035](6)擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為:連接溫度1120 °C、保溫時(shí)間65min、連接壓力8MPa、真空度為 1.33X10—5Pa。
[0036](7)緩慢降溫，從連接溫度至800 V降溫速率6 °C/min; 800 °C以下降溫速率8 V /
mino
[0037](8)待真空室溫度緩慢冷卻至100 °C以下，可打開爐門取出工件。
[0038]經(jīng)檢測(cè)，雙面搭接的矩形狀疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接界面結(jié)合良好，擴(kuò)散連接接頭剪切強(qiáng)度達(dá)350MPa。能夠滿足疊層復(fù)合材料與低合金鋼雙面搭接擴(kuò)散連接接頭的使用要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)連接前將疊層復(fù)合材料與低合金鋼待連接處進(jìn)行機(jī)械加工方法去除，并對(duì)待連接處進(jìn)行預(yù)處理； (2)在疊層復(fù)合材料與低合金鋼待連接處添加鈮箔中間合金以促進(jìn)其界面擴(kuò)散結(jié)合； (3)將待連接工件疊放裝配好，置于擴(kuò)散連接設(shè)備的真空室中，用上、下壓頭加緊，擴(kuò)散連接界面與壓頭的接觸表面平行； (4)擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為:采用逐級(jí)升溫方式，在550°C、750°C和950°C各設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)保溫時(shí)間1min?15min，擴(kuò)散連接溫度1020°C?1180°C、保溫時(shí)間30min?80min、連接壓力5MPa?15MPa、真空度為1.33X 10—5?1.33X 10—4Pa，緩慢降溫，從連接溫度至8000C降溫速率5 °C?1 °C /min; 800 °C以下降溫速率1 °C?15 °C /min; (5)待真空室溫度緩慢冷卻至100°C以下，可打開爐門取出被連接件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，其特征在于:所述步驟(I)中的機(jī)械加工為銑床或磨床加工，預(yù)處理為用金相砂紙打磨、無水乙醇擦拭和或用濃度10%的鹽酸溶液將待連接面的氧化膜去除。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中的鈮箔中間合金為純度大于99.95%的鈮箔，鈮箔的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為:Nb 彡 99.95%，其余彡 0.05%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，其特征在于，所述步驟(3)中，具體處理方法為:用耐高溫的上、下壓頭壓緊待擴(kuò)散連接的工件，要求擴(kuò)散連接界面件與上、下壓頭的接觸表面平行。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層復(fù)合材料與低合金鋼的擴(kuò)散連接方法，其特征在于:所述步驟(2)中，銀箔中間合金的厚度為IΟμπι?40μηι。
【文檔編號(hào)】B23K20/02GK106041289SQ201610517811
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】李嘉寧, 張?jiān)? 霍玉雙, 劉鵬, 石磊
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)