用於釺焊50Mo‑50Re合金的高溫Fe基釺料及製備方法和釺焊工藝與流程
2023-08-11 08:37:11
本發明涉及用於釺焊50Mo-50Re合金的高溫Fe基釺料及製備方法和釺焊工藝，屬於釺焊領域。
背景技術：
自從1955年發現Mo50Re合金比鉬具有更好的塑性和強度以來，很多研究者對鉬錸合金的組織性能、加工工藝進行了詳細而深入的研究。在早期的研究中，俄羅斯薩維茨基做出了重大的貢獻，在其專著中提供了自己的研究成果。Davidson[2]等系統地研究了鉬錸合金的彈性常數。近幾年來，Garin等用中溫燒結的粉末冶金方法製備出鉬錸合金，隨後Mannheim等對其硬化現象進行了研究。Todd等研究了各種鉬錸合金的機械性能和組織狀況。Bernd等將工作重點放在鉬錸合金的高溫疲勞性能。因為錸價格的昂貴，邢英華等系統地研究了添加少量錸對鉬組織性能的影響。
由於鉬錸合金具有優異的抗輻射性能、較高的抗拉強度和良好的延展性、高溫性能及導電性，被廣泛應用於航空航天、核能、電子、電子、軍工等高科技領域，如作為結構包套材料用於空間核反應堆的熱離子交換器，製成箔材和極細絲材作為彈性元件用於加熱器、熱電偶等高溫設備中(效果好且使用壽命長)。鉬錸合金耐磨性好，抗電弧燒蝕性強，故可廣泛應用於電子元器件中。Mo50Re合金常用作高溫結構材料，接頭強度是Mo50Re合金接頭的重要技術參數，一般接頭強度至少高於100MPa，重要結構部件需要更高強度級別，才能保障接頭的正常使用性能。
隨著對鉬及鉬合金的進一步研究和在各個領域中更加廣泛的應用，開展鉬合金焊接技術的研究工作顯得尤為重要和迫切，提高鉬錸合金的焊接性、獲得優質焊接接頭是進一步拓寬鉬錸合金應用範圍的重要條件。
針對鉬錸合金焊接過程中，易受空氣及焊接過程中熱循環的影響而產生的脆化，氣孔及裂紋等問題，採用真空釺焊可有效避免這些缺陷，同時獲得性能優異的釺焊接頭。相比目前釺焊鉬錸合金的釺料，Fe基釺料能在較低的釺焊溫度下獲得較高強度的釺焊接頭。
申請號201210410262.6的申請(用於TiAl與鎳基高溫合金釺焊的鐵鈷鎳鉻基釺料)介紹了一種用於TiAl與鎳基高溫合金釺焊的鐵鈷鎳鉻基釺料，合金元素含量比本申請所述釺料明顯偏高，該種釺料不含Nb元素，在釺焊50Mo-50Re合金過程中，易出現元素擴散不均勻，部分硬質顆粒的聚集現象，焊接後50Mo-50Re合金接頭強度只能達到70～80MPa左右，接頭性能較低。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種用於釺焊50Mo-50Re合金的高溫Fe基釺料及製備方法和釺焊工藝，釺焊溫度相對母材熔點相對較低，避免了鉬錸合金母材的過度溶解，利於箔材焊接，避免發生溶蝕。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種用於釺焊50Mo-50Re合金的高溫Fe基釺料，其特徵在於：所選釺料以重量百分比計的元素成分包括：Co4％～9％，Ni3％～12％，Si3％～8％，B0％～3％，Nb3％～5％，餘量為Fe。
作為優選，所述釺焊用料由以下重量百分比的組分組成：Co7％，Ni8％，Si5％，B2％，Nb4％，餘量為Fe。
一種上述的用於釺焊50Mo-50Re合金的高溫Fe基釺料的製備方法，包括以下步驟：
1)按質量百分比稱取高純度的Fe顆粒、Si顆粒、B顆粒、Co顆、Ni顆粒和Nb顆粒製得混合物，放入加有丙酮的容器中，在18-25℃的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1)超聲清洗後的Fe顆粒、Si顆粒、B顆粒、Co顆、Ni顆粒和Nb顆粒混合物在30～50℃的溫度下烘乾，得到乾燥的混合物；
3)將混合物採用真空感應熔煉的方法製備成分均勻的釺料母合金，將製備出的母合金碾碎後，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應加熱圈中，並將其噴嘴至銅輥表面間距調整為100～150μm之間；
5)關閉爐門，採用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa以下，然後採用分子泵抽高真空，高真空度不低於9×10-5Pa，然後腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉速us在28～33m/s的範圍內，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金高頻感應加熱至完全均勻熔融後，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調製P＝30～60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射到高速旋轉的冷卻銅輥表面，液態金屬受到急冷製成釺料。
作為優選，所述步驟3)中石英管噴嘴呈長方形，其長度為8～10mm，寬度為0.8～1.2mm。
作為優選，所述步驟6)中銅輥直徑為250mm，銅輥寬度為50mm。
作為優選，所述步驟7)中釺料為箔帶狀，厚度為20～50μm。
一種上述的用於釺焊50Mo-50Re合金的高溫Fe基釺料的釺焊工藝，包括以下步驟：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣端面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金母材待焊表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.03～0.05MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以5～9℃/min的速率升溫至300～350℃，保溫25～35min，再以4～6℃/min的速率升溫至700～850℃，保溫時間15～20min，再以6～10℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1060～1160℃，保溫時間10～45min，以5℃/min冷卻至350℃～400℃，隨爐冷卻至室溫開爐取出被焊連接件即可。
在本發明中，50Mo-50Re合金熔點較高，與其他元素冶金反應較少，或在較高溫度才能反應，且對O元素極敏感，可選釺料較少，同時對釺料製備工藝要求較高；本發明製備釺料的工藝完整且所得釺料熔化溫度較高，釺料熔化均勻；在釺料中加入Si，B，Nb等元素在釺焊過程中可擴散進母材，降低鉬錸合金的熔點，使母材元素進入焊縫，發生冶金反應，形成固溶體，同時擴散到焊縫中的Mo和Re元素，起到骨架的作用，限制釺料的過分流動。Fe基釺料釺縫中，Co元素可形成Fe(Co)固溶體，增強釺縫高溫性能；母材側存在明顯擴散層與固溶體層，提高釺縫連接強度；同時釺料箔片也有利於促進釺焊連接過程中元素擴散，選用Fe基釺料可減少釺焊過程中鉬錸合金母材的溶解，利於箔材焊接，避免發生溶蝕；釺焊溫度控制應在釺料液相線附近，釺料能與母材潤溼良好，並充分發生冶金化學反應；利用真空釺焊工藝穩定可靠，其表面潤溼鋪展性較好，有利於填充釺縫，提高了接頭的綜合性能。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
(1)本發明釺料的釺焊溫度在1060℃～1160℃，釺料熔化溫度較高，保證了焊件的高溫性能，同時釺料熔化均勻；使用釺料箔片有利於促進釺焊連接過程中合金元素的擴散，釺料箔片有利於促進釺焊連接過程中元素擴散，Fe元素與Mo元素可生成固溶體，Co和Nb元素可促進Mo和Re元素擴散進釺縫，形成較寬擴散層，提高釺縫性能；同時，釺焊溫度相對母材熔點相對較低，避免了鉬錸合金母材的過度溶解，利於箔材焊接，避免發生溶蝕；
(2)採用本發明的釺料連接鉬錸合金的釺焊工藝穩定可靠，利用真空釺焊連接，構件在加熱過程中處於真空狀態，整個構件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤溼鋪展較好，充分填充釺縫，提高了接頭的整體強度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩定可靠的連接接頭；
(3)本發明釺料連接鉬錸合金，釺料與基體母材充分形成固溶冶金反應，組織細粒，使得本發明釺料具有優異常溫和高溫性能，獲得的鉬錸合金的連接接頭性能穩定可靠，擴大了鉬錸合金連接的應用領域；
(4)本發明製得的釺料經濟實用，不僅適用於鉬錸合金板材，而且可使用在鉬錸合金箔材上，使用場合較多，同時保證獲得可靠強度釺縫接頭。可降低鉬錸合金的使用成本，擴大鉬錸合金的應用範圍。
(5)本發明獲得的釺料製備方法和釺焊工藝簡單，實施方便快捷，釺料的製備以及釺焊工藝可重複再現，真空釺焊過程無須添加釺劑以及保護措施，便於廣泛的推廣應用。
具體實施方式
實施例1
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為50mm×2.55mm×0.06mm，待釺焊面為5mm×2mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co8％；Ni9％；Si8％；B2.5％；Nb4％，餘量為Fe。
上述一種釺焊鉬錸合金的釺料的製備方法，包括以下步驟：
1)按質量百分比稱取高純度的68.5gFe顆粒、8gSi顆粒、2.5gB顆粒、8gCo顆、9gNi顆粒和4gNb顆粒製得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗20min；
2)將步驟1超聲清洗後的混合物在30～50℃的溫度下烘乾，得到乾燥的混合物；
3)將混合物Fe、Si和B採用真空感應熔煉的方法製備成分均勻的釺料母合金，將製備出的母合金碾碎後，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應加熱圈中，並將其噴嘴至銅輥表面間距調整為100μm；
5)關閉爐門，採用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然後採用分子泵抽高真空，高真空度不低於9×10-5Pa，然後腔體充滿高純Ar氣至230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉速us在28m/s的範圍內，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金高頻感應加熱至完全均勻熔融後，保溫過熱熔體60～80s；
7)將Ar氣氣壓調製P＝30～60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射到高速旋轉的冷卻銅輥表面，液態金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釺料箔片帶，厚度為50μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.02～0.03MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以9℃/min的速率升溫至350℃，保溫35min，再以6℃/min的速率升溫至750℃，保溫時間20min，再以10℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1150℃，保溫時間20min，最後以5℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布較均勻，室溫剪切強度為239MPa。
實施例2
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為50mm×5mm×0.06mm，待釺焊面為5mm×1mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co9％；Ni9％；Si5.5％；B2.5％；Nb3％，餘量為Fe。按照實施例1中的製備方法，製備的釺料厚度為40μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度並控制間隙，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.03～0.05MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以8℃/min的速率升溫至300℃，保溫30min，再以5℃/min的速率升溫至750℃，保溫時間20min，再以10℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1100℃，保溫時間20min，最後以7℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為211MPa。
實施例3
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為30mm×5mm×0.2mm，待釺焊面為5mm×2mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co8％；Ni9％；Si5.5％；B2.5％；Nb4.5％，餘量為Fe。釺料厚度為30μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.03～0.05MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以7℃/min的速率升溫至300℃，保溫25min，再以4℃/min的速率升溫至700℃，保溫時間15min，再以8℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1075℃，保溫時間35min，再以5℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為156MPa。
實施例4
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為30mm×5mm×0.2mm，待釺焊面為5mm×2mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co4％；Ni3％；Si3％；Nb4％，餘量為Fe。釺料厚度為30μm。
上述一種釺焊鉬錸合金的釺料的製備方法，包括以下步驟：
1)按質量百分比稱取高純度的86gFe顆粒、3gSi顆粒、4gCo顆粒、3gNi顆粒和4gNb顆粒製得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗20min；
2)將步驟1超聲清洗後的混合物在30～50℃的溫度下烘乾，得到乾燥的混合物；
3)將混合物Fe、Si和B採用真空感應熔煉的方法製備成分均勻的釺料母合金，將製備出的母合金碾碎後，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應加熱圈中，並將其噴嘴至銅輥表面間距調整為100μm；
5)關閉爐門，採用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然後採用分子泵抽高真空，高真空度不低於9×10-5Pa，然後腔體充滿高純Ar氣至230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉速us在28m/s的範圍內，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內的母合金高頻感應加熱至完全均勻熔融後，保溫過熱熔體60～80s；
7)將Ar氣氣壓調製P＝30～60KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內的過熱熔體連續噴射到高速旋轉的冷卻銅輥表面，液態金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釺料箔片帶，厚度為30μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.03～0.05MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以7℃/min的速率升溫至300℃，保溫25min，再以4℃/min的速率升溫至700℃，保溫時間15min，再以8℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1075℃，保溫時間35min，再以5℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為163MPa。
實施例5
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為50mm×5mm×0.06mm，待釺焊面為5mm×1mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co8％；Ni10％；Si6％；B3％；Nb3％，餘量為Fe。按照實施例1中的製備方法，製備的釺料厚度為40μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度並控制間隙，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.03～0.05MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以8℃/min的速率升溫至300℃，保溫30min，再以5℃/min的速率升溫至750℃，保溫時間20min，再以10℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1100℃，保溫時間20min，最後以7℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為217MPa。
實施例6
鉬錸合金(50％Mo，50％Re)搭接接頭真空釺焊：鉬錸合金試樣尺寸為50mm×2.55mm×0.06mm，待釺焊面為5mm×2mm搭接面。
釺料的成分及質量百分比配比為：Co7％；Ni10％；Si6％；B2％；Nb5％，餘量為Fe。按照實施例1中的製備方法，製備的釺料厚度為50μm。
釺焊工藝步驟為：
(1)準備階段：對待釺焊的鉬錸合金試樣搭接面進行清理，除去表面的雜質、油汙以及氧化膜，利用W7號金相砂紙進行研磨光滑，將鉬錸合金及釺料箔片一起置於丙酮中，採用超聲波清洗15～20min，並進行烘乾處理；
(2)裝配階段：將清洗後的釺料箔片置於鉬錸合金搭接表面之間，並緊貼裝配於專用釺焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭，產生0.02～0.03MPa的恆定垂直壓力；
(3)釺焊連接階段：將裝配好的夾具整體置於真空度不低於1.5×10-3Pa的釺焊設備中，首先以9℃/min的速率升溫至350℃，保溫35min，再以6℃/min的速率升溫至750℃，保溫時間20min，再以10℃/min的速率繼續升溫至釺焊溫度1150℃，保溫時間20min，最後以5℃/min的速率冷卻至500℃，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結果：釺焊獲得的鉬錸合金接頭形成良好，金相觀察發現釺焊區形成緻密的界面結合，合金成分分布較均勻，室溫剪切強度為223MPa。
為了便於與上述實施例對比，再做5組對比實施例：每個對比實施例與實施例1僅僅釺料組分不同，其它焊接工藝均相同。表1列出了各對比實施例中釺料組成質量百分比以及焊接後接頭的性能參數。
表1
通過實施例1至6和對比實施例1至5得出：Co元素能與擴散進入釺縫的Mo元素形成固溶體，使釺縫成分更均勻，同時可改善釺料的潤溼性；Nb元素能與Si，B元素擴散進入母材，同時促進母材中Mo元素和Re元素向釺縫中擴散，且Nb元素可與Re元素形成(Nb，Re)固溶體，與Mo形成完全固溶體，在界面處與母材形成良好的結合，可提高釺縫的強度和塑性，同時改善試樣的高溫強度，明顯改善釺縫的整體性能；經探究發現，Ni元素能與Mo，Re元素形成成分均勻的固溶體，可降低Nb的用量，降低釺料經濟成本，但過多的Ni元素可顯著提高釺料的熔點；當釺料不含Si元素時，釺料固相線上升，釺料釺縫中母材含量也隨之減少，控制適量的Si元素可有效降低釺料熔點，避免釺縫中生成較多脆化物，促進母材與釺料冶金化學反應，提高釺焊接頭連接強度；由對比實施例5可知，當釺縫中Nb和B含量較高時，釺料熔點降低，同時B原子會沿晶間擴散進入母材，形成脆化物，部分母材出現溶蝕，降低接頭整體性能；而過量的Nb元素會導致在一些晶界上析出密集的硬質顆粒、大塊狀及薄片狀的相，導致釺縫組織惡化。
本申請所述釺料中的Nb元素在釺焊50Mo-50Re合金過程中能促使部分相均勻彌散分布，細化晶粒，同時適量的Nb元素可使50Mo-50Re合金接頭的強度和塑性明顯提高，同時改善釺縫的高溫強度。本申請所述釺料與申請號201210410262.6所述的用於TiAl與鎳基高溫合金釺焊的鐵鈷鎳鉻基釺料相比，不含有Cr元素，含有Nb元素，合金元素總體含量低，且釺焊溫度範圍比申請號201210410262.6的釺料釺焊溫度低100℃，為適用於釺焊50Mo-50Re合金的低成本釺料，兩種釺料有本質區別。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。