Zr705锆合金真空扩散焊接头组织及性能

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锆具有低的热中子吸收截面、高强度硬度、优异的耐腐蚀性和延展性,在原子能工业、航空航天和生物医疗等领域应用广泛,是一种重要的战略材料,也被称作“原子时代的第一号金属”。为了进一步增加锆合金使用的稳定性和减少加工制造的困难,对锆合金材料进行连接必不可少,因此,通过焊接技术对锆合金连接成形后组织和性能的研究至关重要,而扩散焊作为一种常用的材料连接方法,可用于锆及锆合金的焊接。本文以Zr705锆合金为母材,添加Cu作为中间层,在不同条件下进行了真空扩散焊接,主要研究了Cu中间层厚度和焊接温度对扩散焊接接头显微组织和力学性能的影响,探讨了接头形成的机理;此外,还通过浸泡腐蚀实验对接头在酸性溶液中的耐腐蚀性能进行了测试,研究了不同中间层厚度和焊接温度下得到的焊接接头的耐腐蚀性,结果表明:(1)添加Cu箔作为中间层后,在Cu箔厚度30μm-焊接温度900、920℃和Cu箔厚度10μm-焊接温度880、900、920℃下,界面附近和母材形成了两种组织结构,即魏氏组织和双相组织,这可能是由于Cu原子扩散造成的。当温度超过920℃,达到940或960℃时,达到了α→β完全转变的温度,整个母材组织为魏氏组织。(2)在Cu箔厚度为30μm-焊接温度900、920℃和Cu箔厚度10μm-焊接温度880、900℃时,接头处形成了一层金属间化合物,该化合物层中含有Zr2Cu、Zr14Cu51、ZrCu、ZrCu5和Zr3Cu8相,且可能存在Zr7Cu10和Zr8Cu5相。此外,相同温度下(920℃)使用10μm厚度的Cu做中间层时,没有形成金属间化合物,说明铜箔的厚度对界面化合反应有一定的影响。当提高焊接温度至940℃和960℃时,添加了30μm或10μm厚度的Cu作为中间层的接头均没有金属间化合物层生成,原因可能是该焊接温度下,加速了Cu原子向基体Zr中扩散的速率和距离,Cu原子固溶于基体Zr中,最终形成了较宽的Zr-Cu固溶区。(3)30μm Cu箔厚度下,随着温度的提高最大拉伸强度逐渐提高,伸长率先提高随后下降,转则温度为940℃;10μm Cu箔厚度下,最大拉伸强度和伸长率都随着温度升高而提高,其中形成化合物层的接头力学性能不佳,应该是由于金属间化合物属于脆硬相所致,而没有金属间化合物的接头力学性能明显提升,当温度为940℃时,接头最大拉伸强度和伸长率均为各厚度下的最高,并从30μm的576MPa、23%提高到了10μm的580MPa、32%(原始母材585MPa、44%)。(4)锆合金在酸性腐蚀液中的腐蚀速率小于0.5%/h,从腐蚀显微形貌来看,耐腐蚀性大小为:焊后母材>无化合物层的焊缝区域>原始母材>有化合物层的焊缝区域;从腐蚀速率和失重率来看,原始母材腐蚀速率和失重率最高,失重率达到了44%,随着焊接温度提高,腐蚀速率越小,失重率也越低。
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