G115耐热钢与Inconel 740高温合金的异种金属扩散连接方法
阅读说明：本技术 G115耐热钢与Inconel 740高温合金的异种金属扩散连接方法 (Dissimilar metal diffusion bonding method for G115 heat-resistant steel and Inconel740 high-temperature alloy ) 是由 羊浩 翟月雯 周乐育 朱卫东 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种G115耐热钢与Inconel 740(H)高温合金的异种金属扩散连接方法,包括：选用Ni-Cr-Si-Co合金作为中间层,将所述中间层置于G115耐热钢与Inconel740(H)高温合金之间进行装配,形成预制体；将预制体放入真空扩散炉中,施加0.2-0.5MPa轴向压力,并用上下压头将其压紧；关闭炉门,所述真空扩散炉开始抽真空,当扩散炉真空度达到10～(-2)-10～(-3)Pa级时开始加热；进行加热升温步骤；炉温达到连接保温温度时,对扩散炉中的所述预制体施加连接压力,并进行扩散连接以形成接头。本发明通过合理设计连接温度、连接压力和保温时间,合理选用Ni-Cr-Si-Co中间层类型和厚度,设计连接后冷却工艺和连接后热处理工艺,获得性能较好的异种金属接头,且常温力学和高温力学性能均达到G115母材的90％以上,改善了耐高温设备的发展和应用。(The invention provides a dissimilar metal diffusion bonding method of G115 heat-resistant steel and Inconel740(H) high-temperature alloy, which comprises the following steps: selecting Ni-Cr-Si-Co alloy as an intermediate layer, and placing the intermediate layer between the G115 heat-resistant steel and the Inconel740(H) high-temperature alloy for assembly to form a prefabricated body; putting the prefabricated body into a vacuum diffusion furnace, applying axial pressure of 0.2-0.5MPa, and pressing the prefabricated body tightly by an upper pressing head and a lower pressing head; closing the furnace door, starting to vacuumize the vacuum diffusion furnace, and when the vacuum degree of the diffusion furnace reaches 10 ‑2 ‑10 ‑3 Heating is started when the pressure is Pa level; heating and warming; when the furnace temperature reaches the connection heat preservation temperature, applying connection pressure to the prefabricated body in the diffusion furnace, and then carrying outThe rows are diffusion bonded to form joints. According to the invention, the connecting temperature, the connecting pressure and the heat preservation time are reasonably designed, the type and the thickness of the Ni-Cr-Si-Co intermediate layer are reasonably selected, the cooling process after connection and the heat treatment process after connection are designed, the dissimilar metal joint with better performance is obtained, the normal-temperature mechanical property and the high-temperature mechanical property both reach more than 90% of those of the G115 base metal, and the development and the application of high-temperature resistant equipment are improved.)
技术领域
本发明涉及一种耐热钢和镍基高温合金的扩散连接领域，具体涉及到G115耐热钢与Inconel 740高温合金的异种金属扩散连接方法。
背景技术
G115耐热钢(9Cr-2.8W-3CoCuVNbBN，余量为Fe)是我国自主研发的马氏体耐热钢，可用于630-650℃蒸汽参数超超临界火电机组。G115钢的成分与P93合金相近，在650℃温度下其持久强度是P92钢的1.5倍，其抗高温蒸汽氧化性能和可焊性与P92钢相当，目前主要应用于620-650℃温度段大口径管、小口径过热器、再热器管和集箱等厚壁部件的制造。
Inconel 740合金是美国Special Metals公司为超超临界机组开发的一种Ni-Cr-Co型沉淀强化型镍基高温合金(主要元素25Cr-20Co-2Nb，余量为Ni)，该合金开发的目的是为了满足700℃以上温度段对耐高温材料的需求，目前已研制成功并获得验证。并且，随着超超临界电站的发展和对耐高温材料性能需求的提高，为解决Inconel 740合金在800℃长期时效过程中组织不稳定，厚管焊接过程中热影响区晶界处易出现液化微裂纹等问题，近年来，通过对Inconel 740中微量元素的微调，又开发出了在800℃温度下具有较好稳定性的改型合金Inconel 740H。
G115耐热钢和Inconel 740合金(包括Inconel 740H)由于具有良好的高温力学性能和高温腐蚀性能，常被用于超超临界电站、核电站和航空航天等领域中关键耐高温零部件的制造。但是，Inconel 740合金中Ni含量达到50wt％左右，Co含量达到20wt％左右，其价格较G115耐热钢昂贵的多。为了降低制造成本，在不同温度段选用不同的合金，成为一种耐热设备系统的设计思路，如620-650℃温度段选用GH115，700℃温度段选用Inconel 740，800℃温度段选用Inconel 740H。在多种耐热合金同处于一个耐热系统中时，不可避免的产生异种耐热合金的连接问题。
但是，镍基合金(如Inconel 740和Inconel 740H)具有特殊的物理性能，如流动性差、黏性较大以及对杂质敏感性大等，采用熔化焊接方法(氩弧焊等)时易产生气孔、裂纹等缺陷，焊接性能较差。更严重的是，当Inconel 740镍基合金与G115耐热钢直接熔化焊接时，由于化学成分、热膨胀系数的较大差异，更易产生上述缺陷。
扩散连接是在高温和压力的作用下，使被连接表面发生塑性变形而紧密接触，并经一定时间使原子间互扩散而形成可靠接头的工艺方法。该方法特别适用于制备连接面积较大，尺寸精度和力学性能要求较高的接头。通过扩散连接实现异种金属接头的制备，然后再在异种金属接头两端分别与同材质金属进行焊接或连接的工艺方法，是一种较有希望实现不同温度段较大尺寸材料较好连接的工艺方法。但是，由于在材料成分、熔点、热膨胀系数等方面存在较大差别，异种金属的扩散连接一直是较大的难点。
何洪杰(CB2耐热钢的瞬时液相扩散连接工艺与组织性能研究[D].重庆：重庆大学，2017.)分别以Ni-Cr-B和BNi-2非晶箔片作为中间层，采用瞬时液相扩散连接(TLP)技术，同时配合热处理对CB2耐热钢进行瞬时液相扩散连接。以BNi-2非晶为中间层，非等温凝固区仅出现在连接参数1050℃/60s的接头中心处。连接参数为1150℃/1800s的接头有最好的拉伸强度为934MPa，断后延伸率为5.3％，断裂发生在焊接接头。经焊后热处理后，焊接接头的组织均匀性明显提高，拉伸断裂发生在母材，拉伸强度为720MPa，延伸率提升到18.3％。然而，该现有技术属于同种金属扩散连接方法，且所使用的连接材料CB2(牌号为12Cr-9Mo-1Co1NiVNbNB)，与连接材料G115(牌号为9Cr-2.8W-3CoCuVNbBN)和Inconel 740(Inconel 740H)高温合金(Ni-Cr-Co型沉淀强化型高温合金)相比成分差距较大，因此无法应用到G115耐热钢与Inconel 740(Inconel 740H)合金的异种金属扩散连接中。
陈思杰(耐热钢瞬时液相扩散连接界面结构与强化机制研究[D].西安：西安理工大学，2008.)采用电磁感应加热，氩气保护，用FeNiCrSiB和BNi-2非晶箔合金做中间层，进行了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB瞬时液相扩散连接实验。该现有技术的操作方法是暴露在大气中，依靠氩气保护进行扩散连接，使用感应线圈对接头处进行加热，因此工件形状和尺寸都会受到限制，无法进行大尺寸工件的连接，且无法把控温度的精度导致温度不准。并且，该论文只提供了上述耐热钢的扩散连接方法，并未涉及耐热钢与镍基高温合金的扩散连接技术。
由于我国对G115和Inconel 740(Inconel 740H)的研究起步较晚，还未有G115与Inconel 740(Inconel 740H)异种金属扩散连接的相关研究和报道，严重限制我国耐高温设备的发展和应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种G115耐热钢与Inconel 740(Inconel 740H)高温合金的异种金属扩散连接方法。通过合理设计连接温度、连接压力、保温时间和连接中间层，较好控制了两种母材之间的元素的互扩散程度，在保证较好力学性能的前提下，有效地避免了连接界面处出现孔洞、裂纹等缺陷。同时，通过优化工艺和连接中间层，使扩散连接接头具有较好的常温及高温性能。
本发明在采用Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)中间层的条件下实现了G115耐热钢与Inconel740或Inconel 740H高温合金异种金属的瞬时液相扩散连接，具体步骤如下：
步骤1：对G115耐热钢与Inconel740或Inconel 740H高温合金的待连接面进行机械加工、预磨、抛光、清洗并干燥；
步骤2：选用厚度为40-150μm的Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)合金箔作为中间层；将中间层置于步骤1处理后的G115耐热钢与Inconel740高温合金之间进行装配，形成预制体；
步骤3：将步骤2中装配好的预制体，放入真空扩散炉中，施加0.2-0.5MPa轴向压力，并用上下压头将其压紧；
步骤4：关闭炉门，真空扩散炉开始抽真空，当扩散炉真空度达到10-2-10-3Pa级时开始加热；
步骤5：进行加热升温步骤，升温至连接保温温度；
步骤6：炉温达到连接保温温度时，对扩散炉中的预制体施加连接压力，并进行扩散连接以形成接头；
步骤7：连接完毕后，降温并进行去应力退火；
步骤8：对接头进行连接后性能热处理，促进接头元素扩散，改善母材性能。
所述步骤1中，G115耐热钢与Inconel740或Inconel 740H高温合金的连接面机械加工至粗糙度Ra0.4-0.8，用1000#、2000#和3000#砂纸依次预磨，然后用抛光布抛光，使两种合金的连接面粗糙度为Ra0.2-0.4级，并且两种合金的连接面与压头接触的加压面平行度小于0.02mm。
所述步骤2中，选用Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)合金箔作为中间层，将Ni-Cr-Si-Co合金箔置于G115耐热钢与Inconel740/Inconel 740H高温合金之间进行装配，优选地，所述Ni-Cr-Si-Co合金箔经过酸洗、清水冲洗、采用酒精或丙酮进行清洗并干燥。
对于所述Ni-Cr-Si-Co中间层，优选地，厚度为50-100μm。
所述酸洗是用10wt％盐酸浸泡Ni-Cr-Si-Co中间层10分钟。
所述步骤5中，从室温至500℃过程中，加热升温速率控制在10-15℃/min，炉温达到500℃保温20-60min，使炉温均匀；500℃至900℃过程中，加热升温速率控制为5-10℃/min；炉温达到900℃时，保温15-30min，使炉温进一步均匀；从900℃至保温温度过程中，升温速率控制为3-8℃/min。
所述保温温度为1050-1200℃，优选地，保温温度为1150-1200℃。
所述步骤6中，所述连接压力为2-5MPa，优选地，所述连接压力为3-4MPa。
所述步骤6中，保温1-3h完成接头的扩散连接，优选地，保温2-3h。
所述步骤7中，所述降温包括如下步骤：
从连接保温温度至1000℃阶段，降温速率为2-10℃/min；从1000℃至500℃阶段，降温速率为8-20℃/min；500℃时保温1-2h，进行去应力退火；从500℃至室温随炉冷却。
优选地，从连接保温温度至1000℃阶段，降温速率为2-6℃/min；从1000℃至500℃阶段，降温速率为10-15℃/min；500℃时保温1h进行去应力退火；从500℃至室温随炉冷却。
所述步骤8中，所述连接后性能热处理为(1020-1050)℃×(100-180)min正火+(790-800)℃×(200-300)min回火处理。
本发明具有以下有益效果：
(1)本申请发明采用真空扩散连接方法，实现G115耐热钢与Inconel740或Inconel740H高温合金异种金属扩散连接。该方法获得的G115耐热钢与Inconel740或Inconel740H高温合金异种金属接头的常温和高温力学性能均能超过G115母材的90％。
(2)本申请发明通过合理设计中间层类型和厚度，降低了该扩散连接工艺对连接温度、连接压力和保温时间的要求，提高了生产效率。
(3)本申请发明在Ni-Cr-Si系中间层中加入3wt％Co元素，改善了中间层的耐高温性能。另外，本申请发明设计的Ni-Cr-Si-Co中间层不含B等易产生脆性化合物元素，接头韧性较好。
(4)本发明工艺针对G115耐热钢与Inconel740或Inconel740H高温合金成分差异较大，易出现扩散孔洞的问题，通过合理设计中间层、连接温度、连接压力和保温时间，较好控制了两种母材之间元素的互扩散程度。在保证较好力学性能的前提下，有效的抑制了连接界面处孔洞、裂纹等缺陷。
(5)本发明工艺针对G115耐热钢与Inconel740或Inconel740H高温合金线膨胀系数的差异，在接头冷却过程中设计受控冷却和去应力退火工序，减小接头产生微裂纹和开裂倾向。
(6)本发明针对G115耐热钢与Inconel740或Inconel740H高温合金母材在扩散连接过程中，在1050-1200℃连接温度下，两种母材受高温退火的作用，强度出现下降的现象。为解决该问题，设计连接后性能热处理工序，改善母材强度。同时，在连接后热处理过程中，进一步促进接头元素的互扩散，改善接头力学性能。
具体实施方式
对本发明具体实施方式进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语，以及其在本发明中相应的用途\作用\功能等进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
本发明所用的术语“扩散连接”是指在高温和压力的作用下，使被连接表面发生塑性变形而紧密接触，并经一定时间使原子间互扩散而形成可靠接头的工艺方法。该方法尤其适用于制备连接面积较大、尺寸精度和力学性能要求较高的接头。扩散连接工艺按照设备、保护方法和有无中间层可细分为多种工艺方法，其中固相扩散连接和瞬时液相扩散连接较为常用。顾名思义，固相扩散连接是在真空或气体保护条件下对连接工件施加压力，工件母材保持固态状态下，使连接界面发生原子扩散而形成冶金结合的工艺方法。瞬时液相扩散连接是在母材连接界面中添加低熔点的中间层，在连接过程中低熔点中间层熔化而母材不熔化；通过对连接工件进行较长时间的保温均匀化处理，使液相中间层扩散入母材中，最终获得连接界面的成分、组织和母材较为一致的扩散连接接头。瞬时液相扩散连接较固相扩散连接降低了对连接面的粗糙度、扩散连接温度和施加压力的要求。
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制，本发明所述的实验方法，若无特殊说明，均为常规方法。
实施例1：采用Ni-Cr-Si-Co中间层实现G115耐热钢与Inconel740高温合金异种金属扩散连接具体操作步骤如下：
步骤1：G115耐热钢和Inconel740高温合金的连接面机械加工至粗糙度Ra0.4-0.8，用1000#、2000#和3000#砂纸依次预磨，然后用抛光布抛光，使两种合金的连接面粗糙度为Ra0.2-0.4级，并且保证两种合金的连接面与压头接触的加压面平行度小于0.02mm。
步骤2：选用厚度120μm的Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)合金箔作为中间层，对中间层进行酸洗，清水清洗掉酸液后，采用酒精或丙酮清洗并干燥。
步骤3：将步骤1、2中处理后的G115耐热钢、Inconel740高温合金和Ni-Cr-Si-Co中间层进行装配，形成预制体，然后放入真空扩散炉中，施加0.2-0.5MPa轴向压力，用上下压头将其压紧。
步骤4：关闭炉门，真空扩散炉开始抽真空，当扩散炉真空度达到10-2-10-3Pa级时开始加热。
步骤5：从室温至500℃过程中，加热升温速率控制为10-15℃/min；500℃至900℃过程中，加热升温速率控制为5-10℃/min；炉温达到900℃时，保温30min，使炉温进一步均匀；从900℃至保温温度过程中，升温速率控制为3-8℃/min。
步骤6：炉温达到1200℃连接保温温度时，对扩散炉中的预制体施加5MPa连接压力，保温3h完成接头的扩散连接，形成接头。
步骤7：连接完毕后，开始降温。从1200℃连接保温温度至1000℃阶段，降温速率5-10℃/min；从1000℃至500℃阶段，降温速率为8-10℃/min；500℃时保温1h，进行去应力退火；从500℃至室温随炉冷却。待冷却后将接头取出。
步骤8：将G115/Inconel 740接头放入热处理炉中，按照1050℃×180min正火+800℃×300min回火(空冷)工艺，进行连接后性能热处理。冷却后，即获得G115耐热钢和Inconel740高温合金的异种金属接头。
综上所述，在连接温度1200℃，施加5MPa连接压力，保温时间3h的条件下，对G115耐热钢与Inconel 740高温合金连接。在连接后，按照1050℃×180min正火+800℃×300min回火(空冷)工艺，进行连接后性能热处理，获得最终的异种金属接头。常温下G115钢的抗拉强度为690MPa，高温(650℃)拉伸性能为130MPa。在G115/Inconel 740异种金属接头常温拉伸强度测试中，G115/Inconel 740异种金属接头断裂在G115钢一侧，断裂拉伸强度为690MPa，接头强度超过G115钢的强度。在G115/Inconel 740异种金属接头高温(650℃)拉伸强度测试中，接头断裂在近G115钢焊缝一侧，高温断裂拉伸强度为123.6MPa，达到G115母材高温(650℃)拉伸强度的95.1％。
实施例2：采用Ni-Cr-Si-Co中间层实现G115耐热钢与Inconel740H高温合金异种金属扩散连接具体操作步骤如下：
步骤1：G115耐热钢和Inconel740H高温合金的连接面机械加工至粗糙度Ra0.4-0.8，用1000#、2000#和3000#砂纸依次预磨，然后用抛光布抛光，使两种合金的连接面粗糙度为Ra0.2-0.4级，并且保证两种合金的连接面与压头接触的加压面平行度小于0.02mm。
步骤2：选用厚度50μm的Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)合金箔作为中间层，对中间层进行酸洗，清水清洗掉酸液后，采用酒精或丙酮清洗并干燥。将处理后的Ni-Cr-Si-Co中间层置于步骤1中G115耐热钢与Inconel740H高温合金之间，进行装配，形成预制体。
步骤3：将步骤2中装配好的预制体，放入真空扩散炉中，施加0.2-0.5MPa轴向压力，用上下压头将其压紧。
步骤4：关闭炉门，真空扩散炉开始抽真空，当扩散炉真空度达到10-2-10-3Pa级时开始加热。
步骤5：进行加热升温步骤。具体地，从室温至500℃过程中，加热升温速率控制在10-15℃/min，炉温达到500℃保温20-60min，使炉温均匀；500℃至900℃过程中，加热升温速率控制为5-10℃/min；炉温达到900℃时，保温30min，使炉温均匀；从900℃至1150℃保温温度过程中，升温速率控制为3-8℃/min。
步骤6：炉温达到1150℃连接保温温度时，对扩散炉中的预制体施加3MPa连接压力，保温2h完成扩散连接以形成接头。
步骤7：连接完毕后，开始降温并进行去应力退火。从1150℃连接保温温度至1000℃阶段，降温速率2-5℃/min；从1000℃至500℃阶段，降温速率为10-12℃/min；500℃时保温1h，进行去应力退火；从500℃至室温随炉冷却。
步骤8：将G115/Inconel 740H接头放入热处理炉中，按照1020℃×120min正火+790℃×210min回火(空冷)处理，进行连接后性能热处理。冷却后，即获得G115耐热钢和Inconel740高温合金的异种金属接头。
常温下G115钢的抗拉强度为690MPa，高温(650℃)拉伸性能为130MPa。在常温拉伸强度测试中，G115/Inconel 740H异种金属接头断裂在近G115钢焊缝一侧，接头拉伸强度达到626MPa，达到G115钢强度(抗拉强度690MPa)的90％。在G115/Inconel 740异种金属接头高温(650℃)拉伸强度测试中，接头断裂在近G115钢焊缝一侧，高温断裂拉伸强度为118MPa，达到G115母材高温(650℃)拉伸强度的90.7％。
实施例3：采用Ni-Cr-Si-Co中间层实现G115耐热钢与Inconel740高温合金异种金属扩散连接
具体操作步骤如下：
步骤1：G115耐热钢和Inconel740高温合金的连接面机械加工至粗糙度Ra0.4-0.8，用1000#、2000#和3000#砂纸依次预磨，然后用抛光布抛光，使两种合金的连接面粗糙度为Ra0.2-0.4级，并且保证两种合金的连接面与压头接触的加压面平行度小于0.02mm。
步骤2：选用厚度80μm的Ni-Cr-Si-Co(19Cr-10Si-3Co，余量为Ni，质量百分比)合金箔作为中间层，对中间层进行酸洗，清水清洗掉酸液后，采用酒精或丙酮清洗并干燥。将处理后的Ni-Cr-Si-Co中间层置于步骤1中G115耐热钢与Inconel740高温合金之间，进行装配，形成预制体。
步骤3：将步骤2中装配好的预制体，放入真空扩散炉中，施加0.2-0.5MPa轴向压力，用上下压头将预制体压紧。
步骤4：关闭炉门，真空扩散炉开始抽真空，当扩散炉真空度达到10-2-10-3Pa级时开始加热。
步骤5：进行加热升温步骤，升温至连接保温温度。具体地，从室温至500℃过程中，加热升温速率控制在10-15℃/min，炉温达到500℃保温20-60min，使炉温均匀；500℃至900℃过程中，加热升温速率控制为5-10℃/min；炉温达到900℃时，保温30min，使炉温均匀；从900℃至1180℃保温温度过程中，升温速率控制为3-8℃/min。
步骤6：炉温达到1180℃连接保温温度时，对扩散炉中的预制体施加3MPa连接压力，保温3h完成扩散连接以形成接头。
步骤7：连接完毕后，开始降温并进行去应力退火。从连接保温温度至1000℃阶段，降温速率2-5℃/min；从1000℃至500℃阶段，降温速率为10-12℃/min；500℃时保温1h，进行去应力退火；从500℃至室温随炉冷却。待冷却后取出接头。
步骤8：将G115/Inconel 740接头放入热处理炉中，按照1030℃×150min正火+795℃×240min回火(空冷)处理，进行连接后性能热处理。冷却后，即获得G115耐热钢和Inconel740高温合金的异种金属接头。常温下G115钢的抗拉强度为690MPa，高温(650℃)拉伸性能为130MPa。在常温拉伸强度测试中，G115/Inconel 740异种金属接头断裂在G115钢一侧，断裂拉伸强度为690MPa，证明接头的常温拉伸强度超过G115钢的拉伸强度。在G115/Inconel 740异种金属接头高温(650℃)拉伸强度测试中，接头断裂在近G115钢焊缝一侧，高温断裂拉伸强度为126MPa，达到G115母材高温(650℃)拉伸强度的96.9％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，本领域技术人员应该理解的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。