本發(fā)明涉及一種異種高溫合金的連接方法，尤其涉及一種TZM合金與WRe合金的連接方法。
背景技術(shù)：
TZM合金具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小、蒸氣壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗蝕性強(qiáng)以及高溫力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，其在高溫高壓下表現(xiàn)出的良好力學(xué)性能使其在軍事工業(yè)上應(yīng)用較多，如魚(yú)雷發(fā)動(dòng)機(jī)中的配氣閥體、火箭噴嘴、燃?xì)夤艿?、噴管喉襯。鎢錸合金具有一系列優(yōu)良性能，如高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、高塑性、高再結(jié)晶溫度、高電阻率，低蒸氣壓、低電子逸出功和低塑性脆性轉(zhuǎn)變溫度等。尤為重要的是，鎢錸合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，使其成為2000℃條件下使用的超高溫結(jié)構(gòu)材料。將TZM合金與WRe合金有效連接，是拓展高溫合金在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵。
然而，由于這兩種材料的物理、化學(xué)性能差異大(如熔點(diǎn)差異大)，使得兩者之間的連接非常困難。目前主要采用熔焊、釬焊、固相擴(kuò)散連接及瞬間液相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫合金的連接。但這些方法存在許多不足：難于制得高結(jié)合強(qiáng)度的接頭；對(duì)金屬件表面的清潔度及設(shè)備真空度要求很高；固相擴(kuò)散連接及瞬間液相連接所需溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致兩者間的連接耗時(shí)、耗能；熔焊容易產(chǎn)生裂紋；釬焊雖然連接溫度較低，但由于釬料的熔點(diǎn)普遍較低，因此釬焊難于制得能在高溫下使用的接頭。
放電等離子燒結(jié)(SPS)是利用強(qiáng)脈沖直流電流流經(jīng)粉末或模具產(chǎn)生焦耳熱而對(duì)粉末進(jìn)行快速固結(jié)成形的一種新方法。該方法可顯著降低成形溫度和成形時(shí)間，并產(chǎn)生等離子活化、放電沖擊壓和電場(chǎng)輔助擴(kuò)散效應(yīng)等一系列特殊效應(yīng)，被認(rèn)為是制備細(xì)晶、納米晶塊體材料的一種非常有效的低成本方法。隨著對(duì)SPS的深入研究，發(fā)現(xiàn)其不但在粉末燒結(jié)中有著傳統(tǒng)方法無(wú)法逾越的優(yōu)點(diǎn)，而且在連接工藝中也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。SPS連接工藝是將需要連接的材料放在兩個(gè)電極之間，施加壓力的同時(shí)通入脈沖直流電流，利用SPS效應(yīng)使其連接界面產(chǎn)生原子擴(kuò)散而進(jìn)行的連接工藝。與傳統(tǒng)的固相擴(kuò)散焊接相比，SPS固相擴(kuò)散焊接的優(yōu)勢(shì)不僅僅是加熱速率快、能耗低；尤為重要的是SPS在傳統(tǒng)固相擴(kuò)散焊接所需的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上引入了電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，電遷移效應(yīng)可加速物質(zhì)擴(kuò)散。因此，采用SPS技術(shù)有望在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)TZM合金與WRe合金的有效連接。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有高溫合金，尤其是TZM合金與WRe合金連接技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于將放電等離子燒結(jié)技術(shù)用于高溫合金的固態(tài)擴(kuò)散連接，提供一種電場(chǎng)輔助下的TZM合金與WRe合金的連接方法，降低連接溫度的同時(shí)促進(jìn)原子擴(kuò)散，進(jìn)而提高焊接接頭的力學(xué)性能。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案：
一種電場(chǎng)輔助下的TZM合金與WRe合金的連接方法，其特點(diǎn)在于：在不添加中間過(guò)渡層的前提下，采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)對(duì)TZM合金與WRe合金進(jìn)行電場(chǎng)輔助擴(kuò)散連接，從而獲得TZM合金與WRe合金的連接件；具體包括如下步驟：
步驟1、
取待連接的TZM合金和WRe合金，對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面進(jìn)行預(yù)磨、拋光和超聲清洗并真空干燥；
步驟2、
取石墨模具，所述石墨模具包括上壓頭、下壓頭及石墨陰模；
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為10～40MPa；
升溫速率為20～300℃/min；
連接溫度為1400～1700℃；
保溫時(shí)間為10～180min；
降溫速率為2～40℃/min；
待冷卻后即獲得TZM合金與WRe合金的連接件。
當(dāng)所述連接溫度為1400～1700℃時(shí)，對(duì)應(yīng)施加的直流脈沖電流密度為850～1600A/cm2。
所述連接溫度優(yōu)選為1450～1600℃；保溫時(shí)間優(yōu)選為30～90min。所述降溫速率從目標(biāo)溫度降至1000℃的區(qū)間內(nèi)優(yōu)選為2～15℃/min，在600～1000℃區(qū)間內(nèi)優(yōu)選為10～40℃/min，600℃以下隨爐冷卻。。
步驟1中，通過(guò)依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙分別對(duì)TZM合金與WRe合金的待連接表面進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理好的TZM合金與WRe合金的待連接表面的平面度不大于0.1mm，粗糙度不大于0.1μm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
1、本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TZM合金與WRe合金的快速有效連接，與傳統(tǒng)的連接工藝相比，該方法連接溫度低、保溫時(shí)間短、能耗低、對(duì)設(shè)備真空度要求低，且在不添加任何活化中間過(guò)渡層的情況下，通過(guò)電場(chǎng)輔助下的電遷移效應(yīng)促進(jìn)原子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)TZM與WRe異種合金的高效連接；采用該方法制得的TZM合金與WRe合金連接件的強(qiáng)度接近母材強(qiáng)度的90％，并顯著改善了焊接接頭的高溫性能和使用壽命。
2、本發(fā)明優(yōu)化了TZM合金與WRe合金的SPS連接工藝，當(dāng)軸向壓力、升溫速率、連接溫度、保溫時(shí)間和降溫速率分別優(yōu)選為20MPa、100℃/min、1500℃、30min和10～20℃/min(降溫速率在1000～1500℃區(qū)間為10℃/min，在600～1000℃區(qū)間為20℃/min)時(shí)，更能充分發(fā)揮該連接工藝的優(yōu)勢(shì)，在保證有足夠厚的擴(kuò)散層的同時(shí)有效抑制母材在再結(jié)晶過(guò)程的晶粒長(zhǎng)大。
具體實(shí)施方式
通過(guò)如下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。
在下述實(shí)施例中所用TZM合金和WRe合金均為加工態(tài)；TZM合金成分為0.4～0.6wt.％的Ti、0.07～0.12wt.％的Zr和0.01～0.04wt.％的C，其余為Mo(不計(jì)雜質(zhì)含量)，平均晶粒尺寸為100μm；WRe合金成分為24～26wt.％的Re，其余為W(不計(jì)雜質(zhì)含量)，平均晶粒尺寸為10μm。
所用放電等離子燒結(jié)爐為日本Sinter Land inc公司生產(chǎn)的LABOX-350放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)，其電流類型為直流脈沖電流，脈沖序列為40:7；
所用石墨模具的內(nèi)徑為Φ11mm。
實(shí)施例1
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.09mm和0.05μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.1mm和0.08μm。
步驟2、
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為10MPa；
升溫速率為300℃/min；
連接溫度為1700℃；
保溫時(shí)間為10min；
降溫速率在1000～1700℃區(qū)間為15℃/min，在600～1000℃區(qū)間為40℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為582MPa。
實(shí)施例2
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.08mm和0.06μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.09mm和0.1μm。
步驟2、
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為20MPa；
升溫速率為200℃/min；
連接溫度為1600℃；
保溫時(shí)間為30min；
降溫速率在1000～1600℃區(qū)間為12℃/min，在600～1000℃區(qū)間為30℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為750MPa。
實(shí)施例3
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.06mm和0.07μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.09mm和0.05μm。
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為20MPa；
升溫速率為100℃/min；
連接溫度為1500℃；
保溫時(shí)間為30min；
降溫速率在1000～1500℃區(qū)間為10℃/min，在600～1000℃區(qū)間為20℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的室溫三點(diǎn)彎曲為935MPa。
實(shí)施例4
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.07mm和0.06μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.05mm和0.08μm。
步驟2、
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為30MPa；
升溫速率為80℃/min；
連接溫度為1500℃；
保溫時(shí)間為120min；
降溫速率在1000～1500℃區(qū)間為8℃/min，在600～1000℃區(qū)間為16℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為870MPa。
實(shí)施例5
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.07mm和0.07μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.06mm和0.1μm。
步驟2、
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為30MPa；
升溫速率為50℃/min；
連接溫度為1600℃；
保溫時(shí)間為90min；
降溫速率在1000～1600℃區(qū)間為2℃/min，在600～1000℃區(qū)間為10℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為693MPa。
實(shí)施例6
本實(shí)施例TZM合金和WRe合金的SPS擴(kuò)散連接按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、
對(duì)TZM合金和WRe合金的待連接表面依次使用#400、#800、#1000、#1200、#1500、#2000金相砂紙進(jìn)行預(yù)磨，而后拋光并在酒精中超聲清洗；處理后的TZM合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.09mm和0.08μm，處理后的WRe合金待連接表面的平面度和粗糙度分別為0.05mm和0.07μm。
步驟2、
將處理好的WRe合金和TZM合金自下而上依次放入石墨陰模中，然后用上壓頭和下壓頭壓緊，同時(shí)使待連接表面位于石墨陰模高度的正中間位置；
步驟3、
將裝有待連接件的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的爐膛中，抽真空至8Pa以下，然后通入直流脈沖電流，對(duì)TZM合金和WRe合金進(jìn)行擴(kuò)散連接，連接工藝條件為：
軸向壓力為40MPa；
升溫速率為20℃/min；
連接溫度為1400℃；
保溫時(shí)間為180min；
降溫速率在1000～1400℃區(qū)間為5℃/min，在600～1000℃區(qū)間為14℃/min，600℃以下隨爐冷卻。
冷卻后即獲得TZM-WRe合金連接件，接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為805MPa。