一种Ti箔中间层低温间接扩散连接锆合金的方法

本发明属于材料连接，具体涉及一种利用置氢ti箔作为中间层或置氢锆合金作为母材实现低温间接扩散连接锆合金的方法。

背景技术：

1、随着全球经济发展，传统的石油天然气等化石燃料能源存在能源匮乏和环境污染等问题，新兴的水力、电力、太阳能等能源存在稳定性差、建设成本和维护成本高等问题，清洁、环保、低耗的核能引发关注。其中锆合金因其较小的热中子吸收截面、良好的力学性能和在高温高压水和蒸汽中优异的耐腐蚀性能被广泛用作核燃料包壳材料和核反应堆结构材料，因此，实现核反应堆材料锆合金的高强度连接成为核能持续发展的必要研究。

2、燃料包壳和结构材料中锆合金采用传统熔焊方法难以广泛应用，锆合金的真空扩散连接方法引发学者关注，为了实现新型锆基合金在核能领域的可靠连接，有几个突出的问题亟待解决：

3、1、核反应堆燃料包壳中的焊缝数量多，间距小，焊后变形不宜过大。

4、2、实际服役环境恶劣，表面容易腐蚀或开裂，需减少焊后缺陷。

5、3、锆合金发生相转变会降低母材的力学性能，连接温度不宜过高。

技术实现思路

1、本发明的创新点在于ti箔电解置氢或锆合金母材气相渗氢，然后再将置氢后的ti箔作为中间层置于锆合金母材待焊表面之间，或将纯ti箔置于置氢锆合金母材待焊表面之间进行间接真空扩散焊接。将氢元素通过电化学方式即电解液中的氢离子，或者气相方式即氢气中的氢元素，添加至中间层和母材表面或均匀分布于材料之中。将表面含有氢元素的ti箔作为中间层对锆合金母材进行间接真空扩散焊接，或将纯ti箔作为中间层对气相置氢锆合金进行真空扩散焊接，接头形貌表现为反应层连续性和宽度皆有明显提升，孔隙的尺寸和数量减少，可以在较低温度下实现锆合金间接扩散连接，剪切强度有所提高。

2、本发明针对锆合金温度过高时性能降低、变形量大、焊合率低等问题，本发明旨在提供一种ti箔中间层低温间接扩散连接锆合金的方法，即ti箔中间层电解置氢，将置氢ti箔作为中间层实现锆合金的间接扩散连接，或纯ti箔作为中间层用于置氢锆合金的扩散连接，获得连接强化的焊接接头。

3、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种ti箔中间层低温间接扩散连接锆合金的方法，包括以下步骤：

4、s1、对ti箔中间层进行电解置氢处理，所述电解置氢处理的方法为：将ti箔作为阴极，铂电极作为阳极，完全没入电解液中电解置氢，得到置氢ti箔中间层；

5、和/或，对锆合金母材进行气相渗氢处理，使锆合金母材的氢含量为0.05wt.％～0.5wt.％，优选为0.15wt.％～0.25wt.％；

6、s2、将ti箔中间层和锆合金母材进行真空扩散焊，其中，所述真空扩散焊的焊接温度范围为620～700℃，优选为650～680℃，对试样的压力为5～25mpa，优选为10-20mpa。

7、进一步的，步骤s1中，所述ti箔中间层为厚度是30～200μm的纯ti，优选厚度为50～100μm。

8、进一步的，所述锆合金母材为zr-sn系锆合金。例如zr-2合金、zr-4合金等，其zr元素含量超过90％。需要指出的是：锆合金的主元素是zr，其他元素对扩散连接作用很小，本发明主要通过置氢后改善zr的塑性提高其扩散焊接的性能，降低扩散焊接的温度，所以从原理上可知本发明可以应用于其他锆合金。

9、进一步的，步骤s1中，所述ti箔中间层需要进行预处理，如果选择对ti箔中间层进行电解置氢处理，则预处理在电解置氢处理前进行，预处理方法包括打磨、抛光、清洗干燥。

10、进一步的，步骤s1中，所述ti箔中间层的预处理方法具体为：使用砂纸1000#打磨纯ti箔表面以去掉氧化物，然后采用机械抛光的方法抛至表面光滑，最后置于无水乙醇中超声清洗5min，烘干后备用。

11、进一步的，步骤s1中，所述锆合金母材需要进行预处理，预处理方法包括打磨、化学腐蚀或抛光、清洗干燥，如果选择对锆合金母材进行气相渗氢处理，则气相渗氢处理在打磨后进行。

12、进一步的，步骤s1中，所述锆合金母材的预处理方法为：使用砂纸320#～3000#逐级依次打磨锆合金母材的待焊表面；然后采用腐蚀液进行化学腐蚀使其表面光滑，腐蚀液的配方为：氢氟酸：硝酸：水＝5:35:60，腐蚀时间50～100s；或采用砂纸打磨至3000#之后直接采用机械抛光的方法抛至表面光滑；最后置于无水乙醇中超声清洗5min，烘干后备用。

13、进一步的，步骤s1中，电解液的配方为：0.5～1.5mol/l的硫酸溶液+1～5g/l的硫脲；置氢ti箔焊前不需要再使用砂纸打磨或抛光；ti箔中间层进行电解置氢处理的电流密度为30～120ma/cm2，优选电流密度为80～120ma/cm2，置氢时间为6～48h，温度为30～60℃。

14、进一步的，步骤s1中，锆合金母材进行气相渗氢处理的方法为：将锆合金母材置于管式炉中，将炉内抽真空并升温至650～750℃，然后充入99.99wt.％的高纯氢气，保温0.3～1.5h。

15、进一步的，步骤s2中，所述真空扩散焊接法的方法为：将ti箔中间层置于锆合金母材待焊表面之间，并使用夹具将其夹紧，放入到扩散焊设备中，再对扩散焊设备抽真空，当真空度达到2～8×10-3pa时，以升温速率10～30℃/min加热至升温至620～700℃，然后施加5～25mpa的压力，并保温0.5～2h，然后炉冷或空冷至室温。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明的方法电解置氢和气相渗氢工艺稳定，操作简单，易于重复，且可以根据实际需求变化置氢参数。将氢元素通过电化学方式即电解液中的氢离子，或者气相方式即氢气中的氢元素，添加至中间层和母材表面或均匀分布于材料之中。

18、2、真空扩散焊接所得接头的反应层连续性和宽度明显提升，使扩散焊的温度下降到700℃以下，避免了相转变造成的锆合金母材力学性能下降。可以在较低的温度下，降低连接压力或减短保温时间，实现良好的冶金结合。

技术特征：

1.一种ti箔中间层低温间接扩散连接锆合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述ti箔中间层为厚度是30～200μm的纯ti。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述锆合金母材为zr-sn系锆合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述ti箔中间层需要进行预处理，预处理在电解置氢处理前进行，预处理方法包括打磨、抛光、清洗干燥。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述ti箔中间层的预处理方法具体为：使用砂纸320#～1000#打磨纯ti箔表面以去掉氧化物，然后采用机械抛光的方法抛至表面光滑，最后置于无水乙醇中超声清洗，烘干后备用。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述锆合金母材需要进行预处理，预处理方法包括打磨、化学腐蚀或抛光、清洗干燥，气相渗氢处理在打磨后进行。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述锆合金母材的预处理方法为：使用砂纸320#～3000#逐级依次打磨锆合金母材的待焊表面；然后采用腐蚀液进行化学腐蚀使其表面光滑，腐蚀液的配方为：氢氟酸：硝酸：水＝5:35:60，腐蚀时间50～100s；或采用砂纸打磨至3000#之后直接采用机械抛光的方法抛至表面光滑；最后置于无水乙醇中超声清洗，烘干后备用。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述电解液的配方为：0.5～1.5mol/l的硫酸溶液+1～5g/l的硫脲；ti箔中间层进行电解置氢处理的电流密度为30～120ma/cm2，置氢时间为6～48h，温度为30～60℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，锆合金母材进行气相渗氢处理的方法为：将锆合金母材置于管式炉中，将炉内抽真空并升温至650～750℃，然后充入99.99wt.％的高纯氢气，保温0.3～1.5h。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述真空扩散焊接法的方法为：将ti箔中间层置于锆合金母材待焊表面之间，放入到扩散焊设备中，再对扩散焊设备抽真空，当真空度达到2～8×10-3pa时，升温至620～700℃，然后施加5～25mpa的压力，并保温0.5～2h。

技术总结
本发明公开一种Ti箔中间层低温间接扩散连接锆合金的方法，本发明提出将Ti箔中间层电解置氢或锆合金母材气相渗氢，将置氢Ti箔作为中间层间接扩散连接锆合金，或纯Ti箔作为中间层用于置氢锆合金的扩散连接，中间层或母材中的氢元素在焊接升温和保温过程中促进元素扩散，接头反应层连续性和宽度皆有提升，孔隙减少且剪切强度明显提高，使扩散焊的温度下降到700℃以下，避免了相转变造成的锆合金母材力学性能下降，除此之外，可以在低于常规扩散连接压力5～10MPa或常规保温时间10～40min条件下实现锆合金的间接扩散连接。

技术研发人员：李远星,白玉杰,朱宗涛,陈辉
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12