本發(fā)明屬于異種材料連接，具體涉及一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法。

背景技術(shù)：

1、聚變堆依靠氘氚反應實現(xiàn)放電，其中氘可以從海水中提取，而氚目前只能依靠裂變堆制取，且氚半衰期短，制備、運輸和儲存成本高。因此，未來聚變堆需要實現(xiàn)氚的自循環(huán)，即實現(xiàn)氚自持。氚可以通過中子與富鋰材料反應制取，因此，通過設(shè)計一定的部件，使其包含富鋰材料，即可與氘氚聚變中子反應產(chǎn)氚。進而通過對氚收集和提取，實現(xiàn)氚的自持。這其中承載富鋰材料，實現(xiàn)產(chǎn)氚功能的部件即為增殖包層，除了產(chǎn)氚以外，增殖包層由于直接面向等離子體，所以還肩負著移除核熱和屏蔽輻射等功能。在熱和粒子侵蝕共同作用下，包層部件的性能要求往往較高。尤其是由面向等離子體材料鎢和結(jié)構(gòu)材料鐵素體/馬氏體鋼（rafm）構(gòu)成的第一壁更是如此。由于包層特殊的功能性需求，需要將鎢以冶金結(jié)合的方式與鋼實現(xiàn)連接，從而提高換熱能力和抗輻照及粒子侵蝕能力。但是鎢和鋼屬于異種材料，二者之間的熱物性差異較大，例如鎢的熔點3400℃，而鋼熔點為1500℃，鎢的熱膨脹系數(shù)為4×10-6?/k，而鋼的熱膨脹系數(shù)為12×10-6?/k。鎢和鋼在高溫焊接時，也容易生成fe,w的脆性金屬間化合物。因此目前鎢和鋼連接存在的困難集中在兩個方面，一是如何降低鎢和鋼因熱膨脹系數(shù)差異導致的焊接殘余應力。二是如何避免或者減少鎢和鋼之間形成脆性金屬間化合物。采用過渡層金屬間接實現(xiàn)鎢和鋼連接是目前研究較多的內(nèi)容，但是過渡層金屬需要考慮聚變堆材料的一些特殊需求，例如抗氫脆性能、低活化性能、抗中子輻照等。純金屬很難同時滿足焊接性的同時滿足聚變堆材料要求，例如鈦，釩，鉭等金屬都可以實現(xiàn)鎢和鋼的良好結(jié)合，同時這些材料低活化，但是氫脆敏感性高。而鎳元素雖然跟鋼和鎢都能實現(xiàn)良好冶金結(jié)合，但是鎳屬于高放射性元素，在聚變堆中是不希望使用的。鎢和鋼梯度過渡層是一種有潛力的鎢和鋼過渡層材料。這種材料不添加除鎢和鋼以外的金屬，并且實現(xiàn)了應力的梯度過渡。但是鎢鋼梯度過渡層的制備工藝復雜。為此，這里我們提出了一種在鎢和鋼界面自行成鐵素體過渡層的直接連接方法，該方法的思路是讓鋼表面形成一層鐵素體層，利用鐵素體較軟的特性充當緩釋應力層，從而實現(xiàn)鎢和鋼的直接連接。為了達到這個技術(shù)目的，需要考慮鐵素體相如何形成，主要包含兩類方法，第一類即在鎢和鋼焊接之前，對鋼的待焊接表面進行鐵素體化處理，例如脫碳，沉積鐵素體形成元素并固溶處理。鐵素體形成后在與鎢進行固相擴散連接。第二類即利用促進鐵素體形成的釬料在釬焊過程中實現(xiàn)鐵素體的形成和鎢鋼的直接連接。第二類方法目前已經(jīng)開展了預實驗，得到了證實，可以實現(xiàn)鎢和鋼的緊密連接。

2、該方法的實現(xiàn)將為鎢和鋼連接提供一種可供借鑒的新思路和技術(shù)路線，并應用到工程化實踐中，是一種非常有工程應用價值的技術(shù)方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為解決鎢和鋼連接的問題，通過在鋼表面少量添加鐵素體形成元素，促進鎢和鋼在界面處自行成緩釋應力的過渡層，或者直接利用鐵素體形成釬料在焊接時實現(xiàn)緩釋應力過渡層形成。相比于添加過渡層的間接連接方法，這種方法的有益之處非常明顯，減少了除鎢和鋼以外替他元素的引入。同時，鐵素體形成元素的引入在一定程度上抑制了脆性金屬間化合物的形成。是一種有較大應用前景的適用于聚變堆鎢和鋼連接的方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，包括如下工藝步驟：

4、步驟1、采用機加工方法制備所需的鎢和鋼材料，并將這些材料表面磨拋，清洗后真空封裝待用。

5、步驟2、采用以下兩種方式其中之一實現(xiàn)鎢和鋼的直接連接。一、通過預先處理在鋼表面形成鐵素體層后與鎢進行擴散焊接。二、采用促進鐵素體形成元素釬料利用釬焊實現(xiàn)鎢和鋼的直接連接。

6、步驟3、進行焊后熱處理以恢復鋼的性能。

7、在上述技術(shù)方案中，所述的鋼為低活化鐵素體/馬氏體（rafm）鋼或其他低活化鋼。

8、在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，所述的預先處理方法包括表面脫碳、磁控濺射、電鍍或其他薄膜沉積方法。其中表面脫碳可采用空氣脫碳、鹽浴脫碳、氣體脫碳或其他脫碳方法。脫碳后可立即形成鐵素體層。磁控濺射制備薄膜以后，需要將薄膜進行真空退火處理，使薄膜固溶于鋼基體內(nèi)形成鐵素體。形成的鐵素體層的厚度＜100μm。

9、在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，所述的預先處理方法預沉積薄膜材料為鐵素體形成元素，如鉻、釩、銅、鍺等元素。真空退火時真空度要大于1×10-2pa，退火溫度通常為沉積元素熔點的0.6-0.95倍，退火時間與薄膜的材料，厚度和需要的鐵素體厚度有關(guān)，約為1-10h。

10、在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，所述的擴散焊接，包括熱等靜壓擴散焊，真空熱壓擴散焊或放電等離子體燒結(jié)等固相擴散焊接技術(shù)。通過控制焊接溫度、保溫時間和加壓壓力優(yōu)化鎢和鋼的焊接工藝。焊接溫度通常為鋼熔點的0.6-0.8倍，保溫時間為1-6h，壓力為10-200mpa。

11、在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，所述的促進鐵素體形成釬料包括純銅，純鍺及其合金如鍺銅合金，所述的釬焊采用真空釬焊，焊接溫度通常是高于釬料液相線溫度30-50℃，焊接時間為0.03-6h。

12、在上述技術(shù)方案中，在步驟3中，焊后熱處理是為了恢復鋼性能，對于rafm鋼，若焊接溫度高于850℃，需進行正火1050℃和回火750±10℃處理。若焊接溫度低于850℃，需進行回火處理。保溫時間與壁厚相關(guān)，通常時間1-2h。

13、本發(fā)明的有益效果在于：

14、本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法?，F(xiàn)有技術(shù)中，間接連接鎢和鋼不可避免的引入除二者以外的其他元素，因過渡層需同時滿足緩釋應力、焊接性、氫脆、抗輻照等一系列聚變堆材料的要求，條件極為苛刻，所以目前尚沒有完全滿足以上要求的過渡層材料，因此，通過少量引入鐵素體形成元素，使其完全固溶于鋼表面形成緩釋應力的過渡層，是一種最大限度降低元素引入，實現(xiàn)鎢和鋼連接的工藝方法，是一種很有潛力的鎢和鋼連接方法。

技術(shù)特征：

1.一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：所述的鋼為低活化鐵素體/馬氏體鋼或其他低活化鋼。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：所述的預先處理方法包括表面脫碳、磁控濺射、電鍍或其他薄膜沉積方法，其中表面脫碳采用空氣脫碳、鹽浴脫碳或氣體脫碳，磁控濺射制備薄膜以后，將薄膜進行真空退火處理，使薄膜固溶于鋼基體內(nèi)形成鐵素體，形成的鐵素體層的厚度＜100μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：所述的預先處理方法預沉積薄膜材料為鐵素體形成元素，真空退火時真空度大于1×10-2pa,?退火溫度為沉積元素熔點的0.6-0.95倍，退火時間為1-10h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：所述的擴散焊接為熱等靜壓擴散焊、真空熱壓擴散焊或放電等離子體燒結(jié)，焊接溫度為鋼熔點的0.6-0.8倍，保溫時間為1-6h，壓力為10-200mpa。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：所述的促進鐵素體形成釬料包括純銅、純鍺及其合金，所述的釬焊采用真空釬焊，焊接溫度高于釬料液相線溫度30-50℃，焊接時間為0.03-6h。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，其特征在于：焊后熱處理用于恢復鋼性能，對于低活化鐵素體/馬氏體鋼，若焊接溫度高于850℃，需進行正火1050℃和回火750±10℃處理，若焊接溫度低于850℃，需進行回火處理，保溫時間為1-2h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)鎢和鋼直接連接的工藝方法，本發(fā)明屬于異種材料連接技術(shù)領(lǐng)域，相比添加過渡層的間接連接方法，本發(fā)明通過采用鐵素體形成元素作為釬料或者功能擴散層，促進鎢和鋼界面自行成鐵素體，從而實現(xiàn)鎢和鋼界面應力的緩釋與高強度連接。本發(fā)明的有益之處在于，本發(fā)明采用的功能擴散層可固溶于鋼中，促進形成一定寬度的鐵素體緩釋應力層，減少了除鎢和鋼母材以外的其他元素引入，釬料自身即可充當緩釋應力層，也可促進鐵素體緩釋應力層的形成，從而實現(xiàn)鎢和鋼的直接連接。

技術(shù)研發(fā)人員：王紀超,歐開宇,王小龍
受保護的技術(shù)使用者：合肥綜合性國家科學中心能源研究院（安徽省能源實驗室）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17