一种减材制备中间层的钨镍铁合金与高强钢扩散焊接方法
阅读说明：本技术 一种减材制备中间层的钨镍铁合金与高强钢扩散焊接方法 (Diffusion welding method for tungsten-nickel-iron alloy and high-strength steel for preparing intermediate layer by reducing material ) 是由 杨健 陆超 王玥 张知航 黄继华 陈树海 叶政 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：一种减材制备中间层的钨镍铁合金与高强钢扩散焊接方法,属于异种金属材料焊接技术领域。本发明采用电解侵蚀工艺将钨镍铁合金表面一定厚度内钨颗粒相原位去除,仅余NiFeW相,实现在钨镍铁合金母材表面原位减材制备多孔NiFeW中间层。而后,将其与高强钢母材装配进行真空扩散焊接,最终形成钨镍铁合金/(NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒)复合连接层/高强钢结构的焊接接头。本发明的优点在于：(1)在钨镍铁合金表面通过电解侵蚀原位减材制备的多孔NiFeW中间层结构适应性强；(2)焊接接头完全避免了界面金属间化合物的出现；(3)NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒的复合连接层线膨胀系数介于钨镍铁合金与高强钢之间,有效缓和焊接热应力。(A tungsten-nickel-iron alloy and high-strength steel diffusion welding method for preparing an intermediate layer by reducing materials belongs to the technical field of dissimilar metal material welding. According to the method, an electrolytic erosion process is adopted to remove the tungsten particle phase in a certain thickness on the surface of the W-Ni-Fe alloy in situ, and only the NiFeW phase is left, so that the porous NiFeW intermediate layer is prepared on the surface of the W-Ni-Fe alloy base metal by in-situ material reduction. And then assembling the tungsten-nickel-iron alloy and the high-strength steel base metal for vacuum diffusion welding to finally form the welding joint of the tungsten-nickel-iron alloy/(NiFeW solid solution + dispersed W particles) composite connecting layer/high-strength steel structure. The invention has the advantages that: (1) the porous NiFeW intermediate layer prepared on the surface of the tungsten-nickel-iron alloy through electrolytic erosion in-situ material reduction has strong structural adaptability; (2) the appearance of interface intermetallic compounds is completely avoided by the welding joint; (3) the linear expansion coefficient of the composite connecting layer of the NiFeW solid solution and the dispersed W particles is between that of the W-Ni-Fe alloy and the high-strength steel, and the welding thermal stress is effectively relieved.)
技术领域
本发明属于异种金属材料焊接技术领域，特别是提供一种适用于高熔点差、大热失配、脆性金属间化合物形成倾向大的钨镍铁合金/高强钢复杂结构的焊接方法。
背景技术
钨镍铁合金由于具有高熔点、高强度、高密度及耐辐射等优点在先进武器制造、核工业、航天航空等领域均有着广泛的应用。然而，由于钨镍铁合金的室温韧性较差，极大程度上限制了其使用范围的进一步扩展。针对现状，研究者们提出了将钨镍铁合金与高强钢进行扩散焊接，综合高强钢的高塑韧性和钨镍铁合金的高强度、高密度等优点，获得满足服役性能的结构部件。为了保证构件的服役性能，实现钨镍铁合金与高强钢的高强度焊接需要同时解决钨镍铁合金与高强钢线膨胀系数差异大(a钨镍铁合金＝5～6×10-6/K，a高强钢＝12～15×10-6/K)，焊接后界面存在较大的焊接热应力和高强钢中的Fe元素与钨镍铁合金中的W元素反应倾向性强，易在界面处生成Fe-W系脆性金属间化合物两个关键性问题。针对现状，当前国内外对钨镍铁合金与高强钢的扩散焊接均通过添加中间层的方式。但是，现有中间层的引入虽然避免了Fe-W系金属间化合物的出现，但由添加中间层所导致的其他金属间化合物(如Ni-W化合物、Cu-Ti化合物)的出现依旧减弱了钨镍铁合金与高强钢扩散焊接接头的强度，并难以良好实现释放接头焊接热应力的目标；此外，现有中间层多以箔片或粉末的形式引入，这类中间层在焊接过程中易滑移、散落使接头焊接强度下降，尤其在一些复杂结构(如弧面焊接结构)中，箔片或粉末形式的中间层更是难以适用。因此，如何采用适当的方法制备可有效缓解焊接热应力、完全避免脆性金属间化合物形成并具有较强结构适应性的中间层用于钨镍铁合金与高强钢的扩散焊接，已经成为钨镍体合金与高强钢复杂构件焊接的关键问题。
发明内容
(1)本发明的目的是要克服目前钨镍铁合金与高强钢扩散焊接中存在的接头焊接热应力大、界面易形成脆性金属间化合物、中间层结构适应性差等问题，提出一种减材制备中间层的钨镍铁合金与高强钢扩散焊接方法，在整个接头中完全避免脆性金属间化合物的出现，可以最大程度上保证接头的强度，有效缓和焊接热应力。
一种减材制备中间层的钨镍铁合金与高强钢扩散焊接方法，其特征在于，以高强钢和钨镍铁合金为待焊接母材，采用电解侵蚀工艺将钨镍铁合金表面一定厚度内钨颗粒相原位去除，仅余NiFeW相，实现在钨镍铁合金母材表面原位减材制备多孔NiFeW中间层。而后，将其与高强钢母材装配进行真空扩散焊接，最终形成以NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒为复合连接层的钨镍铁合金与高强钢焊接接头。
本发明具体工艺过程包括以下步骤：
步骤1，将表面处理后的待焊母材用丙酮超声波清洗，放入恒温干燥箱中备用。
步骤2，配制电解侵蚀液：侵蚀液成分为NaOH 22～32g/L、Na2CO3 8～12g/L、NaCl10～15g/L和Na2MoO4 2.5-4.0g/L。
步骤3，采用步骤2配制的侵蚀液对钨镍铁合金待焊面进行电解侵蚀，侵蚀电压6～12V，侵蚀时间15～60min，侵蚀液温度35～60℃，制备出多孔NiFeW中间层。
步骤4，将步骤3制备的多孔NiFeW中间层的钨镍铁合金放入超声波清洗仪中震荡清洗，去除残留电解侵蚀液，烘干后将钨镍铁合金侧多孔NiFeW中间层面与高强钢侧待焊接面进行装配，形成钨镍铁合金/多孔NiFeW中间层/高强钢的三明治结构。
步骤5，将装配好的预置焊接件放入真空扩散焊接设备的炉膛中并抽真空，当真空度达到1×10-3Pa时，开始加热，以15℃/min-30℃/min的升温速率升高至800℃-950℃，以5MPa/min-10MPa/min的加压速率加载至40MPa～60MPa的压力，再以5℃/min-10℃/min的升温速率升高至950～1050℃的焊接温度，保温10～30min后冷却，冷却速度5℃/min-10℃/min，得到以NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒为复合连接层的钨镍铁合金与高强钢焊接接头。
所述钨镍铁合金表面一定厚度内的钨颗粒相原位去除的厚度为100±25μm。
步骤1所述清洗时间是15～20min，恒温干燥温度是40～50℃；所述表面处理是将钨镍铁合金与高强钢表面打磨、抛光，降低表面粗糙度，增加焊接时母材接触面积，促进接头处原子的扩散。
步骤4所述震荡清洗的时间是20～30min。
本发明具有如下优点：
(1)采用电解侵蚀的方式在钨镍铁合金表面原位减材制备多孔NiFeW中间层，可以显著提高中间层的结构适应性，即可以有效地避免常规箔片、粉末等形式的中间层在焊接复杂结构(如弧面焊接结构)过程中容易出现的滑移、散落等现象，最大程度上保证了接头的强度。
(2)采用了多孔NiFeW中间层。在高强钢/NiFeW中间层界面处，由于铁镍之间无限互溶的特性，不产生金属间化合物；钨镍铁合金/NiFeW中间层界面处，由于钨在NiFeW固溶体中具有较大的固溶度，也避免了金属间化合物的产生。因此，在整个接头中完全避免了脆性金属间化合物的出现。
(3)最终获得的连接层为NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒的复合连接层，其线膨胀系数介于高强钢和钨镍铁合金之间，可有效缓和焊接热应力。
附图说明
图1为电解侵蚀后钨镍铁合金表面形貌的扫描电镜图像。经过电解侵蚀后，钨镍铁合金表面的钨颗粒被去除，剩余的坑洼网状组织为焊接所需的多孔NiFeW中间层；
图2为高强钢/钨镍铁合金扩散焊接接头组织扫描电镜图像。上部为钨镍铁合金，中间为(NiFeW固溶体+弥散分布W颗粒)复合连接层，下部为高强钢。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种钨镍铁合金与高强钢的焊接方法。所涉及的钨镍铁合金为90WNiFe合金，切成Φ36×20mm3的圆柱；所涉及的高强钢为60CrMnMo钢，切成Φ36×20mm3的圆柱。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，将90WNiFe合金和60CrMnMo高强钢表面依次用150目、400目、600目、800目、1000目砂纸打磨后，采用W0.5型金刚石抛光膏进行抛光，保证待焊接表面平整且无氧化膜。
步骤2，将经过抛光的90WNiFe合金和60CrMnMo高强钢放入酒精中用超声波清洗15min；将清洗干净的90WNiFe合金和60CrMnMo高强钢放入真空干燥箱中，设置烘干温度为50℃、烘干时间为20min，烘干备用。
步骤3，称取适量的NaOH、Na2CO3、NaCl和Na2MoO4，配置20℃电解侵蚀溶液：侵蚀液成分为NaOH 22g/L、Na2CO3 8g/L、NaCl 10g/L和Na2MoO4 2.5g/L。
步骤4，采用制备好的电解侵蚀溶液对处理过的90WNiFe合金表面进行电解侵蚀：侵蚀电压6V，侵蚀时间15min，侵蚀液温度35℃。将侵蚀后的90WNiFe合金表面采用扫描电子显微镜观察微观组织结构，如图1所示。
步骤5，将制备好多孔NiFeW中间层的90WNiFe合金放入超声波清洗仪中震荡清洗30min，去除残留电解侵蚀液，烘干后与60CrMnMo高强钢进行装配。
步骤6，将装配好的待焊接件放入FNC-235型真空扩散焊接设备的的恒温区，先用机械泵对钎焊炉抽低真空，当真空度达到5×10-2Pa时用扩散泵继续抽高真空，当真空度达到1×10-3Pa时，开始加热。以15℃/min的升温速率升高至800℃，以5MPa/min的加压速率加载至40MPa的压力，再以5℃/min的升温速率升高至950℃的焊接温度，焊接时采用保温10min后冷却，冷却速度10℃/min。当炉内温度降到200℃时关掉扩散泵，60分钟后关掉机械泵。当炉温降到室温时，打开炉门取出焊接试样。
步骤7，将步骤6得到的90WNiFe合金与60CrMnMo高强钢的焊接接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，如图2所示，接头连接层为黑色NiFeW固溶体+弥散分布白色W颗粒的复合连接层，完全避免脆性金属间化合物的出现，采用线膨胀系数测定仪检测发现，复合连接层的线膨胀系数为a复合连接层＝8.3×10-6/K，处于90WNiFe合金(a90WNiFe合金＝5.8×10-6/K)和60CrMnMo高强钢(a60CrMnMo高强钢＝13.6×10-6/K)的线膨胀系数之间，可以有效缓解焊接热应力；将步骤6得到的焊接样件加工为拉伸试样，在电子万能试验机上进行拉伸强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度为283MPa。
实施例2
本实施例是一种钨镍铁合金与高强钢的焊接方法。所涉及的钨镍铁合金为93WNiFe合金，切成Φ36×20mm3的圆柱；所涉及的高强钢为40Cr，切成Φ36×20mm3的圆柱。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，将93WNiFe合金和40Cr高强钢表面依次用150目、400目、600目、800目、1000目砂纸打磨后，采用W0.5型金刚石抛光膏进行抛光，保证待焊接表面平整且无氧化膜。
步骤2，将经过抛光的93WNiFe合金和40Cr高强钢放入酒精中用超声波清洗15min。将清洗干净的93WNiFe合金和40Cr高强钢放入真空干燥箱中，设置烘干温度为50℃、烘干时间为20min，烘干备用。
步骤3，称取适量的NaOH、Na2CO3、NaCl和Na2MoO4，配置20℃电解侵蚀溶液：侵蚀液成分为NaOH 25g/L、Na2CO3 9g/L、NaCl 11g/L和Na2MoO4 3.0g/L。
步骤4，采用制备好的电解侵蚀溶液对处理过的93WNiFe合金表面进行电解侵蚀：侵蚀电压8V，侵蚀时间30min，侵蚀液温度45℃。将侵蚀后的93WNiFe合金表面采用扫描电子显微镜观察微观组织结构。
步骤5，将制备好多孔NiFeW中间层的93WNiFe合金放入超声波清洗仪中震荡清洗30min，去除残留电解侵蚀液，烘干后与40Cr高强钢进行装配。
步骤6，将装配好的待焊接件放入FNC-235型真空扩散焊接设备的的恒温区，先用机械泵对钎焊炉抽低真空，当真空度达到5×10-2Pa时用扩散泵继续抽高真空，当真空度达到1×10-3Pa时，开始加热。以25℃/min的升温速率升高至850℃，以6MPa/min的加压速率加载至50MPa的压力，再以8℃/min的升温速率升高至1000℃的焊接温度，焊接时采用保温30min后冷却，冷却速度10℃/min。当炉内温度降到200℃时关掉扩散泵，60分钟后关掉机械泵。当炉温降到室温时，打开炉门取出焊接试样。
步骤7，将步骤6得到的93WNiFe合金/40Cr高强钢焊接接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构。采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的焊接样件加工为拉伸试样，在电子万能试验机上进行拉伸强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度为326MPa。
实施例3
本实施例是一种钨镍铁合金与高强钢的焊接方法。所涉及的钨镍铁合金为95WNiFe合金，切成Φ36×20mm3的圆柱；所涉及的高强钢为42CrMoV，切成Φ36×20mm3的圆柱。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，将95WNiFe合金和42CrMoV高强钢表面依次用150目、400目、600目、800目、1000目砂纸打磨后，采用W0.5型金刚石抛光膏进行抛光，保证待焊接表面平整且无氧化膜。
步骤2，将经过抛光的95WNiFe合金和42CrMoV高强钢放入酒精中用超声波清洗15min；将清洗干净的95WNiFe合金和42CrMoV高强钢放入真空干燥箱中，设置烘干温度为50℃、烘干时间为20min，烘干备用。
步骤3，称取适量的NaOH、Na2CO3、NaCl和Na2MoO4，配置20℃电解侵蚀溶液：侵蚀液成分为NaOH 28g/L、Na2CO3 11g/L、NaCl 13g/L和Na2MoO4 3.5g/L。
步骤4，采用制备好的电解侵蚀溶液对处理过的95WNiFe合金表面进行电解侵蚀：侵蚀电压10V，侵蚀时间45min，侵蚀液温度55℃。将侵蚀后的95WNiFe合金表面采用扫描电子显微镜观察微观组织结构。
步骤5，将制备好多孔NiFeW中间层的95WNiFe合金放入超声波清洗仪中震荡清洗30min，去除残留电解侵蚀液，烘干后与42CrMoV高强钢进行装配。
步骤6，将装配好的待焊接件放入FNC-235型真空扩散焊接设备的的恒温区，先用机械泵对钎焊炉抽低真空，当真空度达到5×10-2Pa时用扩散泵继续抽高真空，当真空度达到1×10-3Pa时，开始加热。以25℃/min的升温速率升高至950℃，以5MPa/min的加压速率加载至60MPa的压力，再以10℃/min的升温速率升高至1050℃的焊接温度，焊接时采用保温20min后冷却，冷却速度10℃/min。当炉内温度降到200℃时关掉扩散泵，60分钟后关掉机械泵。当炉温降到室温时，打开炉门取出焊接试样。
步骤7，将步骤6得到的95WNiFe合金/42CrMoV高强钢焊接接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构。采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的焊接样件加工为拉伸试样，在电子万能试验机上进行拉伸强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度为311MPa。
实施例4
本实施例是一种钨镍铁合金与高强钢的焊接方法。所涉及的钨镍铁合金为97WNiFe合金，切成Φ36×20mm3的圆柱；所涉及的高强钢为35CrMnSi，切成Φ36×20mm3的圆柱。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，将97WNiFe合金和35CrMnSi高强钢表面依次用150目、400目、600目、800目、1000目砂纸打磨后，采用W0.5型金刚石抛光膏进行抛光，保证待焊接表面平整且无氧化膜。
步骤2，将经过抛光的97WNiFe合金和35CrMnSi高强钢放入酒精中用超声波清洗15min；将清洗干净的97WNiFe合金和35CrMnSi高强钢放入真空干燥箱中，设置烘干温度为50℃、烘干时间为20min，烘干备用。
步骤3，称取适量的NaOH、Na2CO3、NaCl和Na2MoO4，配置20℃电解侵蚀溶液：侵蚀液成分为NaOH 32g/L、Na2CO3 12g/L、NaCl 15g/L和Na2MoO4 4.0g/L。
步骤4，采用制备好的电解侵蚀溶液对处理过的97WNiFe合金表面进行电解侵蚀：侵蚀电压12V，侵蚀时间60min，侵蚀液温度60℃。将侵蚀后的97WNiFe合金表面采用扫描电子显微镜观察微观组织结构。
步骤5，将制备好多孔NiFeW中间层的97WNiFe合金放入超声波清洗仪中震荡清洗30min，去除残留电解侵蚀液，烘干后与35CrMnSi高强钢进行装配。
步骤6，将装配好的待焊接件放入FNC-235型真空扩散焊接设备的的恒温区，先用机械泵对钎焊炉抽低真空，当真空度达到5×10-2Pa时用扩散泵继续抽高真空，当真空度达到1×10-3Pa时，开始加热。以30℃/min的升温速率升高至950℃，以10MPa/min的加压速率加载至50MPa的压力，再以5℃/min的升温速率升高至1000℃的焊接温度，焊接时采用保温20min后冷却，冷却速度5℃/min。当炉内温度降到200℃时关掉扩散泵，60分钟后关掉机械泵。当炉温降到室温时，打开炉门取出焊接试样。
步骤7，将步骤6得到的97WNiFe合金与35CrMnSi高强钢的焊接接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构。采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的焊接样件加工为拉伸试样，在电子万能试验机上进行拉伸强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度为298MPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有所附权利要求及其同等限定。
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