采用Au系钎料钎焊石墨与HastelloyN合金的连接工艺和机理研究

摘要

熔盐堆(molten salt reactor, MSR)是第四代核反应堆的候选堆型之一，也是国家“未来10年先导研究专项”的重要组成部分。它的堆芯部分主要由石墨、Hastelloy N合金和熔盐构成，研究石墨与 Hastelloy N合金的连接对于熔盐堆的发展意义重大。本文采用Au系钎料钎焊石墨与Hastelloy N合金，研究了钎焊工艺及钎料内Si含量对接头组织和力学性能的影响，在此基础上论述了各区域内反应产物的形成过程，进而建立接头的连接机理。
　　本研究主要内容包括：⑴采用Au钎料钎焊石墨与Hastelloy N合金，接头组成为：石墨/1区/2区/3区/Hastelloy N母材。其中，1区由Au基固溶体、Ni基固溶体和其内部块状的Mo2C构成；2区由Au基固溶体和Ni基固溶体构成；3区由Ni基体、原始MoC，以及晶界处连续的MoC颗粒和晶内板条状的Mo2C构成；靠近3区的Hastelloy N母材内晶界处也有MoC颗粒析出。1区和2区为液相下形成，3区为固相下形成。对于1区和2区，因为钎焊中所用 Au钎料的量固定，其宽度在不同的钎焊工艺下基本保持不变；3区的宽度则随钎焊温度上升或保温时间延长而增加。在1060℃保温90 min下，接头的平均抗剪强度最高，为34.1 Mpa，与石墨材料的抗剪强度(30.4 Mpa)相当。⑵采用Au+Si钎料钎焊石墨与Hastelloy N合金，接头组成为：石墨/1区/2区/Hastelloy N母材。其中，1区由Au基固溶体、Ni基固溶体和其内部的块状Mo6Ni6C构成；2区和Hastelloy N母材的构成分别与上述采用Au钎料时的3区和母材部分相同。1区为液相下形成，2区为固相下形成。此外，向钎料中添加Si会促进Mo6Ni6C生成，使1区宽度增加，但对2区及相邻母材的宽度基本无影响。在1060℃保温10 min下，当钎料中Si含量为5at.％时，接头的抗剪强度最高，为32.5 Mpa。⑶采用Au钎料钎焊石墨与 Hastelloy N合金的接头形成过程：钎焊过程中，Au与Hastelloy N母材的Ni基体发生互溶转变为液相，随后石墨向钎料内溶解。钎料内过量的Mo和C使1区内生成了块状的Mo2C；钎料中的C扩散进入Hastelloy N母材中，使3区晶内析出了板条状的Mo2C，晶界处析出了连续的MoC颗粒；邻近3区的母材晶界处同样有MoC颗粒析出。采用Au+Si钎料钎焊时的接头形成过程与上述内容类似，不同之处在于，在Si的促进作用下，1区内的产物为Mo6Ni6C而非Mo2C。⑷钎焊过程中生成的Mo的碳化物有效降低了金属钎料和Hastelloy N母材的热膨胀系数(CTE)，使接头的 CTE呈现出自然过渡结构，有效降低了接头内的残余应力水平，保证了接头的连接强度。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备和工艺

2.3组织与性能分析

第3章 采用Au钎料钎焊石墨与Hastelloy N合金

3.1 前言

3.2 接头内的典型组织

3.3 钎焊温度对接头组织和力学性能的影响

3.4 保温时间对接头组织和力学性能的影响

3.5 本章小结

第4章 采用Au+Si钎料钎焊石墨与Hastelloy N合金

4.1 前言

4.2接头内的典型组织

4.3 Si含量对接头组织和力学性能的影响

4.4 本章小结

第5章 连接机理

5.1 前言

5.2 石墨/钎料界面的润湿

5.3 石墨/Au/Hastelloy N接头1区中Mo2C的形成

5.4 石墨/Au/Hastelloy N接头3区中Mo2C的形成

5.5 石墨/Au+Si/Hastelloy N接头1区中Mo6Ni6C的形成

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果