一种提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法

摘要

本发明公开了一种提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法，包括以下步骤：1)对待焊接工件上的待焊区域表面预处理，其中，待焊接工件的材质为钼或钼合金；2)在待焊接工件的接合处填充钛层；3)将待焊接工件放置到惰性气体保护气氛中或真空环境中，并对待焊接工件的焊接区域进行预热；4)完成待焊接工件的焊接，再对焊接后工件的焊缝区域进行保温，然后冷却至室温，完成对工件熔焊焊缝的微合金化，该方法能够消除杂质元素在晶界处偏析的问题，钼及钼合金熔焊焊缝的强韧性得到显著改善。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法。

背景技术

钼，熔点高达2610℃，中子吸收截面小，热膨胀系数低，热传导性能优异，高温力学性能好，可加工性好，当温度低于500℃时，钼在空气或水中有良好的稳定性。上述优点使得钼在冶金、航空、航天、核能、军事等领域有着重要应用。然而，钼及钼合金本质上是硬脆材料，焊接性极差。由于钼的熔点太高，一般须采用粉末冶金的方式加工制备，材料含气量较高；同时，钼在高温下对O、N、C等杂质十分敏感，特别是在熔化焊熔池凝固时，O、N、C等杂质元素易在晶界处偏析，使晶界弱化，焊缝的结合强度极差。上述问题严重制约了钼及钼合金在结构材料领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决钼及钼合金焊接中面临的问题，提供了一种提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法，该方法能够消除杂质元素在晶界处偏析的问题，钼及钼合金熔焊焊缝的结合强度较好。

为达到上述目的，本发明所述的提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法包括以下步骤：

1)对待焊接工件上的待焊区域表面预处理，其中，待焊接工件的材质为钼或钼合金；

2)在待焊接工件的接合处填充钛层；

3)将待焊接工件放置到惰性气体保护气氛中或真空环境中，并对待焊接工件的焊接区域进行预热；

4)完成待焊接工件的焊接，再对焊接后工件的焊缝区域进行保温，然后冷却至室温，完成对工件熔焊焊缝的微合金化。

步骤1)中对待焊接工件上的待焊区域表面预处理的具体操作为：打磨待焊接工件的焊接区域，再对待焊接工件的焊接区域进行碱洗，然后再用清水进行冲洗，再将待焊接工件的焊接区域浸泡于丙酮中进行超声清洗，最后再将待焊接共建的焊接区域吹干。

步骤4)中通过激光焊、激光电弧复合焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊完成待焊接工件的焊接。

待焊接工件的材质为钼、钼钨合金、钼铼合金、TZM合金、合金元素含量不超过2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量不超过2wt％的钼合金。

工件的焊缝形式为对接焊缝或角接焊缝，其中，焊接前工件的装配间隙小于0.02mm。

焊后焊缝金属中所掺入的钛元素的质量百分比为0.8％。

钛层中钛的纯度大于等于99.99％。

步骤2)中在待焊接工件的接合处填充钛层的方法为直接填充箔材、溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆。

步骤3)中预热的预热温度为450℃-550℃。

步骤3)中将待焊接工件放置到纯度大于等于99.999％的氩气中或真空度大于等于10^-1Pa的真空环境中。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法在具体操作时，通过在待焊接工件的接合处填充钛层，通过钛与钼在从液相到固相的转变过程中发生匀晶反应，使钛与钼无限互溶，并且不生成脆硬相，且钛与钼的固溶体熔点较高，具有较好的高温力学性能。同时，钛在高温下对氧具有极强的亲和力，可以有效地消除杂质元素在晶界的偏析现象，避免发生晶界分离，并且反应生成的Mo_xTi_yO_z复合氧化物可以对焊缝组织起到第二相粒子弥散强化的作用，从而有效地提高钼及钼合金熔焊焊缝的结合强度，经试验，采用本发明后钼及钼合金的熔焊接头的强韧性得到显著的提高，焊接接头室温拉伸强度达到母材室温拉伸强度的80％以上，并且焊缝拉伸断口微观形貌主要表现为穿晶断裂。

附图说明

图1为Ti-Mo二元平衡相图；

图2(a)为实施例一中钼管的尺寸示意图；

图2(b)为实施例一中钛箔的尺寸示意图；

图2(c)为实施例一中端塞尺寸示意图；

图3为实施例一中焊接接头及焊缝形貌图；

图4为实施例一中钼管母材、不加Ti接头与加Ti接头拉伸曲线图；

图5为实施例一中不加Ti时钼合金激光焊接头拉伸断口显微形貌图；

图6为实施例一中加Ti时钼合金激光焊接头拉伸断口显微形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法包括以下步骤：

1)对待焊接工件上的待焊区域表面预处理，其中，待焊接工件的材质为钼或钼合金；

2)在待焊接工件的接合处填充钛层；

3)将待焊接工件放置到惰性气体保护气氛中或真空环境中，并对待焊接工件的焊接区域进行预热；

4)完成待焊接工件的焊接，再对焊接后工件的焊缝区域进行保温，然后冷却至室温，完成对工件熔焊焊缝的微合金化。

步骤1)中对待焊接工件上的待焊区域表面预处理的具体操作为：打磨待焊接工件的焊接区域，再对待焊接工件的焊接区域进行碱洗，然后再用清水进行冲洗，再将待焊接工件的焊接区域浸泡于丙酮中进行超声清洗，最后再将待焊接工件的焊接区域吹干。

步骤4)中通过激光焊、激光电弧复合焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊完成待焊接工件的焊接。

待焊接工件的材质为纯钼、钼钨合金、钼铼合金、TZM合金、合金元素含量不超过2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量不超过2wt％的钼合金。

工件的焊缝形式为对接焊缝或角接焊缝，其中，焊接前工件的装配间隙小于0.02mm。

焊后焊缝金属中所掺入的钛元素的质量百分比为0.8％。

钛层中钛的纯度大于等于99.99％。

通过直接填充箔材、溅射镀膜方法、电镀方法、冷喷涂方法或激光熔覆方法在待焊接工件的接合处填充钛层。

步骤3)中预热的预热温度为450℃-550℃。

步骤3)中将待焊接工件放置到纯度大于等于99.999％的氩气中或真空度大于等于10^-1Pa的真空环境中。

实施例一

以含0.25wt％La₂O₃弥散强化相的高性能钼合金薄壁管-端塞的对接激光焊为例，其尺寸如图2(a)、图2(b)及图2(c)所示，其中，图2(a)、图2(b)及图2(c)中各标注的单位均为mm；焊接的主要操作流程为：1)将钼管及端塞对接区域依次用240#砂纸、600#砂纸、1000#砂纸进行打磨，然后用稀氢氧化钠水溶液进行碱洗，最后用丙酮超声清洗，吹干备用；2)将厚度为0.05mm的TA1钛箔加工成外径为10mm、内径为8.5mm的环形垫片，再用由12mL的HNO₃、6mL的HF及82mL的H₂O配制而成的溶液进行酸洗以去除钛箔表面氧化膜，最后用丙酮超声清洗，吹干备用；3)将钼管与端塞进行装配，将钛箔环形垫片填充于两者接缝处，保证三者装配紧密；4)将装配好的待焊试样置于高纯氩气保护气氛中，再对对焊接头进行预热，当接头温度达到500℃后，将功率为1200kW的激光束照射于钼管与端塞填充了钛箔的接缝处，并将试样以0.2m/min的线速度旋转一周，完成对钼管和端塞的激光焊环焊，将焊后的焊接接头在500℃以上保温30s，然后再缓慢冷却至室温，试样焊缝形貌如图3所示。

按照上述步骤焊接一个钼管和端塞对接处不加钛箔的试样作为对照；对高性能钼合金薄壁管母材、不加钛箔和加钛箔的两种高性能钼合金激光焊对接接头进行拉伸，拉伸曲线如图4所示，钼管母材的抗拉强度为720MPa，断裂时伸长量达到10.6mm；不加钛箔焊接接头的抗拉强度仅为124MPa，断裂时伸长量仅为0.6mm；加钛箔焊接接头的抗拉强度为606MPa，达到母材抗拉强度的84.2％，拉伸时塑韧性相比于不加钛箔时得到显著改善，断裂时伸长量为3.1mm。如图5及图6，不加钛箔时接头的断裂模式主要表现为沿晶断裂，而加钛箔时接头的断裂模式主要表现为穿晶解理断裂，因此本发明可以显著改善其激光焊接头的韧性，提高接头的抗拉强度。