钨_低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构.pdf
《钨_低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钨_低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、为了连接W和CLF-1RAFM钢,设计出由低活化元素组成的Fe-B-Si、Fe-B-Si-Sn、Fe-B-Si-Cr-(Sn)、Fe-B-Si-P-(Cr,Sn)、Fe-B-Si-M n-(G a,Sn)和Fe-B-Si-(Cr,M n,G a,T a,Sn)系列Fe基非晶钎料,结合熔体快淬技术制备出非晶合金箔带,并对W/CLF-1RAFM钢接头微结构进行了对比研究。采用X-射线衍射仪对箔带样品与焊缝进行了相鉴定;通过差热分析测量了非晶箔带的熔化温度和液相线温度;利用光学金相和电子探针分析了焊缝组织形貌和元素分布。结果表明,利用Fe-B-Si、Fe-B-Si-C r 和Fe-B-Si-Mn-S
2、n非晶钎料可获得结构完整的W/CLF-1钢接头;前两种钎料得到的焊缝组织基体相为-Fe固溶体,而含Mn钎料形成的焊缝基体为马氏体组织;在高温钎焊过程中,这些Fe基非晶钎料中的高B含量促使FeWB、Fe W,B2 和FeB型金属间化合物在焊缝中形成,并有效地阻止了W元素向低活化钢基体长程扩散。所设计的低活化Fe基非晶钎料可用于W和低活化钢的连接和接头性能研究。关键词:低活化Fe基非晶钎料;钎焊;W/钢连接;偏滤器;第一壁中图分类号:TL62+7文献标志码:A1引言在聚变示范堆(DEMO)的第一壁和偏滤器中,钨(W)是首选的面向等离子体材料,而低活化铁素体/马氏体钢(RAFMs钢)常被用作结构和热
3、沉材料-3。由W与RAFMs 钢连接构成的面对等离子体部件需承受高通量的等离子体、14MeV聚变中子辐照和巨大的热负荷。因此,高性能W/RAFMs接头制备是面对等离子体部件加工的关键问题之一。目前,W与RAFMs的连接主要集中在钎焊和扩散焊上 4-17 。然而,由于W与RAFMs的熔点(Tw=3422,T R A FM s 150 0)、热膨胀系数(w=4.210k-,CR A FM=12 1410 K l)和杨氏模量(Ew400GPa,ER A FM s 2 0 0 G Pa)等差异很大,二者接头中必然存在大的残余应力,在后续组织回复和循环热负载条件下发生开裂 17 。针对这一问题,人们主要
4、采用添加硬(V、T a 4 6 )或软(Fe、Z r、T i 等 7-10 )金属中间层来缓释应力。扩散焊的连接温度较低,对RAFMs组织影响较小,但扩散焊的焊接接头中一般包含连续的、近平直的金属间化合物多层,室温拉伸时易发生脆性断裂 。钎焊技术适合几何结构复杂的偏滤器部件连接,但需要发展合适的低中子活化钎料。Kalin等通过熔体快淬制备了Nibal-15Cr4Mo4Fe(0.5-1.0)V7.5Si1.5B、T i b a l-2 2.5Cr7.5V3Be和Febal-18Ta8Ge2Si3.5B2Pd(wt.%)合金钎料,并采用Fe-Ni中间层在1150 分别实现了单晶W、Ce O 2 弥
5、散强化W与EP-450/Eurofer钢的钎焊收稿日期:2 0 2 1-0 4-30;修订日期:2 0 2 2-10-2 8基金项目:国家磁约束聚变能发展研究专项(2 0 19YFE03120004);国家自然科学基金(516 7 10 45)作者简介:魏明玉(1994-),男,内蒙古呼伦贝尔人,博士研究生,从事先进钨材料研究。133第2 期魏明玉等:钨/低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构连接 12.13;朱文等设计了Ti-Fe-Sn 薄膜多层钎料,通过放热反应辅助W/CLF-1钢直接钎焊,钎焊温度降低至10 90 10 。Prado等通过机械合金化制备出CugoTi2o(wt.%)粉末钎
6、料,在96 0 对W/Eurofer钢进行了钎焊 14;Oono等采用Feg2B;Sis(wt.%)非晶钎料,在2 5MPa压力和118 0 12 0 0 条件下直接钎焊W和Y2O;弥散强化钢K1(Febal-19Cr-0.3W-0.3Ti-0.3Y2O3),发现钎焊保温过程中W向钢基体发生显著的长程扩散 15;最近,王建豹等采用Fe81.5Cr12.9Si.3B4.3(wt.%)非晶钎料和V金属片中间层,在12 7 0 钎焊获得了高强度的W/CLF-1(低活化铁素体/马氏体钢)接头 4。目前采用的W/RAFMs连接用钎料大都含有Ni、M o、Cu 等元素 12-14,不满足低活化要求。另一方
7、面,W/RAFMs的钎焊温度高于RAFMs 的正火温度(98 0)16 ,钎焊完成后需进行热处理组织回复。由于W/RAFMs钎焊接头靠近W基体一侧存在大的残余应力,组织回复过程中W/钎料界面易发生开裂 12.13.17 。因此,有必要发展新的低活化钎料合金,结合成分和钎焊工艺调控,实现接头组织的强韧配合,避免组织回复开裂,提高接头抗高热负荷性能。W/RAFMs钎焊用钎料合金设计需考虑的要素:(1)由低中子活化元素组成;(2)组元构成与RAFMs尽量接近,以减小对基体钢成分的影响;(3)具有近共晶点成分,在钎焊温度瞬时熔化、快速铺展,利于短时钎焊,避免基体钢的组织粗化;(4)为抑制W向RAFMs
8、钢的长程扩散,钎料合金的组元应与W有强化学亲合力,在钎焊保温过程中通过合金化将长程扩散的W原子捕获在焊缝内;(5)熔点需高于接头服役温度(7 0 0),且低于钨材料的再结晶温度(12 0 0);(6)可制备成箔带,易于与基材表面紧密贴合,适宜于复杂几何形状部件的连接;(7)弱磁性,避免干扰装置磁场;(8)钎料和金属中间层匹配。Fe基非晶合金是一类重要的候选钎料。已知的Fe基非晶体系众多 18 ,但大多数含Co、Ni、M o、Nb 和Cu等中子活化元素。因此,需要设计低活化Fe基非晶合金新成分,应用于W/RAFMs接头的制备和性能研究。本研究以非磁性或反铁磁金属Cr、M n、G a、Sn、T a
9、 和类金属B、Si 和P等低活化元素为组元,设计了系列高B含量的多元Fe基非晶合金成分。采用熔体快淬制备了箔带样品。利用X射线衍射、热分析、光学金相和电子探针技术,分析了合金箔带的结构和熔化行为。采用不同成分的非晶钎料直接钎焊W和CLF-1钢,研究了接头的组织形貌、相组成和成分分布特征。所研制的低活化 Fe基非晶合金将为W/RAFMs钎焊连接提供候选钎料,可应用于聚变示范堆第一壁和偏滤器的集成加工。2实验采用 Fe82.3B17.69(wt.%)、Fe 7.12 P2 2.8 8(w t.%)中间合金与Fe、Cr、G a、Si、Sn、T a、M n 等单质高纯原料(99.5wt.%)配制合金。
10、采用非自耗电弧熔炼母合金锭,随后通过急冷甩带技术制备出厚度约为2040m的合金箔带。利用BrukerD8FocusX射线衍射仪(Cu-K。辐射,入=0.1540 6 nm)鉴定箔带样品的相结构。采用Q600型SDT热分析仪表征合金箔带的熔化行为,升温速度为2 0 min。焊接实验所用母材为10 mm10mm4mm的商业钨板(99.95wt.%)和15mm15mm6mm的CLF-1 钢(Febal-8.5Cr0.11C1.5W0.1Ta0.5Mn0.3V,wt.%)块,CLF-1钢是核工业西南物理研究院研发的一种低活化铁素体马氏体钢。首先用8 0 0 号水磨砂纸打磨母材表面,再用丙酮与酒精超声清
11、洗、吹干;然后将钎焊预组装件按钨块-钎料箔带-CLF-1钢顺序叠放;接着进行真空钎焊(无外加压力):由室温加热至40 0 保温10 min,后升温至8 0 0 保温10 min去气,继续加热至钎焊温度保温;钎焊完成后将试样炉冷至室温。炉体真空度为310-3Pa,焊件升温速率为2 0 min-。采用OLYMPUSBX51型光学显微镜(OM)观察钎焊接头组织形貌,并通过BrukerD8FocusX射线衍射仪和JXA-8530F型电子探针(EPMA)分析钎焊接头的相组成与成分分布特征。3结果与讨论3.1箔带成分、相结构与熔化行为134第43 卷核聚变与等离子体物理基于Fe-B系中具有高非晶形成能力的
12、Fe7sB25(at.%)成分 19 进行多元合金成分设计,选定的合金化元素为:Fe的置换元素M(M=Cr,M n,G a);微合金化元素M(M=Sn,T a)和类金属Me(Me=Si,P)。获得了Fe-B-Si、Fe-B-Si-Sn、Fe-B-Si-Cr-(Sn)、Fe-B-Si-P-(Cr,Sn)、Fe-B-Si-M n-(G a,Sn)和复杂多元Fe-B-Si-(Cr,M n,G a,T a,Sn)等6 个高B含量的低活化Fe基非晶体系。针对W元素向钢基体发生剧烈扩散的问题,设计了高B含量的非晶成分。在钎焊保温过程中,钎料液体中的高的B含量利于Fe-W-B金属间化合物在焊缝中形成,从而阻
13、止W向钢基体扩散。所设计的合金具体成分列于表1中。表1合金钎料体系、合金成分、熔点、液相线温度和熔化区间低活化体系合金成分/at.%Tm/TL/(TL-Tm)/Fe-B(二元参照系)Fe7sB2s1165119025Fe-B-SiFe7sB16.6Si8.331133118047FersBi5.sSigSno.51105117166Sn系Fe7sB14SiSn21112116452Fe-B-Si-SnFe7sB16.67Si6.33Sn21119116748Fe7sB11.67Si8.33Ps996106367P系FersBnSiPs994107076Fe-B-Si-P-(Cr,Sn)Fe7o
14、B11.6Sig.33PsCrs1003108784Fe69B11.67Sig.33PCrsSn19881090102Fe6sB16.67Sis.33Mnio1080115777Fe60B16.67Si6.33Mn1sSn21056115599Mn系Fe6sB16.67Sig.33MnGal1109115344Fe-B-Si-Mn-(Ga,Sn)Fe6sB16.67Sig.33MngGa21109115344Fe6sB16.67Sig.33MnGa31110115141Fe6sB16.67Si8.33Mn.Ga41100114242Cr系Fe63.5B16.67Sig.33Cr11.51168
15、122759Fe-B-Si-Cr-(Sn)Fe63.5B16.67Si7.83Cr11.sSno.51150121060Fe60B14.67Sig.33Cr4MnjoGa2Tal1117118164Fe6sB16.67Si7.83CrsMnsSno.510911192101复杂多元Fe65.3B18.6Si2.iCri1.5Mn,Tai.51200123030Fe-B-Si-(Cr,Mn,Ga,Ta,Sn)Fe60B16.67Si7.83CrsMnioSno.51085116479Fe60B16.67Si7.83Cr4MnoTa,Sno.51090116575快淬合金箔带样品的XRD衍射结果总
16、结如图1所示。在5个合金系列中,2 个复杂多元成分Fe60B14.67Sig.33Cr4Mn1oGa2 Ta,和Fe6sB16.67Si7.83CrsMnsSno.5的XRD谱在2=45附近出现明锐的-Fe相衍射峰,叠加在非晶漫散主峰上,表明样品部分晶化。其余样品均为单相非晶结构。图1同时给出了箔带样品的DTA热分析曲线,所测得的合金熔点(Tm)与液相线温度(TL)均列于表1中。对比发现Fe7sB16.67Si8.33非晶的Tm=1133、TL=1180,分别比基础非晶Fe7sB2s下降了32 和10;进一步添加P和Mn可显著降低Tm和TL,Fe7sB11.67Sig.33Ps非晶的Tm=99
17、6,T L=10 6 3,与Fe7sB16.67Si8.33三元非晶相比,分别降低了137 和117;Fe 6 s B16.6 7 Si 8.3M n 1o 非晶的Tm=1080、T L=1157,T m和TL分别降低53和2 3;与此相反,Cr的添加会造成Fe-B-Si非晶熔化温度的升高,其135魏明玉等:钨/低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构第2 期中Fe63.5B16.67Sig.33Cr11.5成分的Tm和TL分别提高了35和47;而Sn和Ga的添加对合金熔点影响不明显。此外,DTA曲线显示:Fe-B-Si、Fe-B-Si-Sn、Fe-B-Si-Mn-(Ga,Sn)的熔化行为具有接
18、近共晶成分的单峰熔化特征,其熔化区间T(=TL-Tm)较窄,最小可达 41。而 Fe-B-Si-P-(Cr,Sn)、Fe-B-Si-Cr-(Sn)和Fe-B-Si-(Cr,M n,G a,T a,Sn)多元非晶合金大多呈现双峰熔化特征,偏离共晶成分,对应的熔化区间较宽。Fe-B,Fe-B-SiFe-B-Si-SnabCu-K加热速率:2 0 Kmin-!Cu-K加热速率:2 0 Kmin-!Fe,B,SiSn,Tn/暴6.33Fe,Bi6.6-i.,Sn,16.67mlT66Fe,B16.67SiFe,Bl6316.6Si8.33人Fe,Bi,Si,Sn,洋XFe,B,si,sn,Fe,B,F
19、e,BSnFe,Bis,Si,Sno.s30405060708010001050110011501200125030 40 506070804006008001000120020/T/20/0T/CFe-B-Si-PCFe-B-Si-Mn-(Ga,Sn)d加热速率:2 0 Kmin-1加热速率:2 0 Kmin-!Cu-KCu-KFe,B.XMnAFe,Bi6.oSi.,MnoSiT16.6783310TFe.,Biso,Sin,Mn,Sn,Ae,BlogSia,Mn,Sn,6.33Fe,BSiPFe7Pn/暴68.3333e,Bu-SiaMn,Ga65洋XFe,Biog,Si,Mn,GaFe
20、B,Si,Mn,GaFe,Bu66Sii.,MnGaFe,B,Si,PFe,B,Si,P,Fe.B,Si,Mn,Ga6516.678.33116.678.33Fe.,Bl63Mn.GaFe.BmSiMn.Ga616.678.3330405060 708050060070080090010001100304050 6070806008001000 120020/T/20/0T/CFe-B-Si-Cr-(Sn)eFe-B-Si-(Cr-Mn,Ga,Ta,Sn)fCu-K加热速率:2 0 Kmin-1Cu-K加热速率:2 0 Kmin-lFe,BuaSi.CrMn,Ga,TaTFelBi46CrMn
21、8.33T1467BSnFe,BussSi.Cr,Mn,Sn,F,B66Si.Cr.Mn,S16.67TibfFeCrSnFe,Bu.Si,CMn,TasBsSi,Cr,MnTaX3FeBSiCr洋X65318.663.516.678.3311.55Fe.Buc.Si.,Or,MnmFe.BloSi,Or,Mn,Sns16.6766FeBSi.Cr3.516.678:.33CrMn,TaSnFe,BaSi.CrMn,TaSn3040 5060 7080600800100012003040506070 806008001000120020/0T/C20/%T/C图1非晶钎料的XRD衍射谱和DTA
22、曲线3.2钎焊接头微结构采用系列成分的非晶钎料进行了W和CLF-1钢的直接钎焊实验。图2 给出了4个不同钎料体系中典型成分Fe7sB16.67Si8.33、Fe 7 s B16.6 7 Si 6.33Sn 2Fe69B11.67Sig.33PsCrsSn,和Fe60B16.67Si6.33Mn15Sn2 制备的W/CLF-1钢钎焊接头组织的形貌。如图2 a所示,Fe69B11.67Sig.33PsCrsSni钎料在1150下保温10 min得到的焊缝组织。观察发现,在焊缝近W侧存在大量几十至几百微米大小不等的孔洞。尽管含P非晶钎料的熔点与钎焊温度低,136第43卷核聚变与等离子体物理但所获得的
23、W/CLF-1钎焊接头中均存在孔洞缺陷,且无法通过优化钎焊工艺加以消除。类似的,Sn系非晶钎料也易于造成接头孔洞缺陷形成。图2 b给出了Fe7sB16.67Si6.33Sn2钎料在12 40 下保温15min工艺条件下制备的W/CLF-1钢接头组织,焊缝中存在大量几十微米尺寸的孔洞。CLF-1W200um200um200um200m图2不同焊料体系的典型接头形貌a-Fe-B-Si-P-Cr-Sn;b-Fe-B-Si-Sn;c-Fe-B-Si;d-Fe-B-Si-Mn-Sn。如图2 c所示,12 50/30 min工艺条件下由Fe7sB16.67Si8.33非晶钎料获得的W/CLF-1钢接头组织
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 活化 钢钎 焊用铁基非晶钎料 接头 微结构
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。