PDF《采用金箔钎焊连接石墨与 Hastelloy N 合金》

采用金箔钎焊连接石墨与 Hastelloy N 合金 刘平1,顾小龙

1 , 贺艳明 1,2 , 石磊1,杨建国 2* (1.

浙江省钎焊材料与技术重点实验室,杭州 310011;

2. 浙江工业大学 化工机械设计研究所,杭州 310014) 摘要: 采用纯金箔在

1 333 K、不同保温时间 (1~90 min) 下钎焊连接石墨与 Hastelloy N 合金,研究了保温时间对 接头内显微组织及力学性能的影响. 结果表明,钎缝组织主要由金基固溶体、镍基固溶体及在其内弥散分布的 Mo2C 颗粒组成;

近钎缝的 Hastelloy N 合金内的晶内和晶界位置分别析出细小的 Mo2C 及Mo6Ni6C 颗粒. 当保温 时间提升至

60 min 时,抗剪强度随保温时间的延长变化不大;

保温

90 min 后,由于临近钎缝侧的 Hastelloy N 合金 内的晶内和晶界处分别析出大量细小的 Mo2C 和Mo6Ni6C 颗粒形成了类似金属基复合材料组织,使得抗剪强度提 高到 34.1 MPa,与石墨强度相当. 钎焊后接头内形成热膨胀系数梯度过渡结构导致了接头内低的应力水平,获得 了高品质接头. 文中开展的研究将为熔盐堆的建设提供必要的技术支撑. 关键词: 石墨C哈氏合金接头;

钎焊;

接头组织;

力学性能 中图分类号:TG

425 文献标识码:A doi:10.12073/j.hjxb.2018390234

0 序言熔盐堆是第四代核反应堆候选堆型之一,也是 中国首批战略先导科技专项 未来先进核裂变能 的重要组成部分 [1] . 熔盐堆中,Hastelloy N 合金常 用来制造熔盐的回路管道、堆芯容器及换热器等结 构部件. 石墨也是熔盐堆内重要的结构材料. 建造 熔盐堆过程中需要解决石墨与 Hastelloy N 合金之 间的连接问题,获得稳定可靠的石墨/Hastelloy N 合 金接头对于熔盐堆的发展至关重要. 基于石墨材料的特性,它与金属连接过程中存 在如下的难点:润湿性差,多数金属难以对石墨形 成润湿;

石墨的热膨胀系数 (CTE) 小,而一般金属 材料的热膨胀系数较大,连接后接头内一般会因热 错配形成高的残余应力;

此外,石墨在

673 K 左右 的空气中便会氧化,连接石墨一般需要在真空或惰 性气体保护条件下进行 [2] . 基于石墨的以上特性,研究计划采用钎焊的方 法连接石墨与 Hastelloy N 合金. 钎焊作为一种精 密连接技术,具有操作简单、成本低、接头形状和尺 寸适应性广等优点,是目前最具前景的连接石墨的 方法 [3] . 邹贵生等人 [4] 采用 AgCCuCTi 活性钎料钎焊 了石墨和铜,通过活性元素 Ti 向石墨扩散并与之反 应形成高强度结合界面,获得接头的最大抗剪强度 达到了石墨母材的70%. Zhang 等人 [5] 采用NiCCrCPCCu 钎料钎焊了石墨与铜,研究了不同钎焊温度对接头 显微组织与力学性能的影响. 研究拟采用纯金箔作为钎料钎焊连接石墨与 Hastelloy N 合金. 金的熔点为

1 337 K,在一定温度 以上 (≥1

223 K) 可与 Ni 元素形成无限互溶. 注意 到Hastelloy N 合金内主要含 Ni 元素,这样接触界 面处可通过 AuCNi 的互溶作用形成液相;

金具有良 好的塑性,可有效缓解接头内的残余应力;

此外,金 具有优异的高温稳定性,获得的接头有望在

973 K 下 (熔盐堆工作温度) 稳定可靠的工作. 基于以上的 分析,研究了不同保温时间对石墨/Au/Hastelloy N 合金接头显微组织与力学性能的影响,讨论了接 头的形成机制.

1 试验方法 研究采用的石墨为西格里

8510 高强石墨. Has- telloy N 合金主要组成为 NiC17MoC7CrC4Fe (质量 分数,%). 所用金箔纯度为 99.985%,厚0.025 mm. 将石墨加工成尺寸为