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钨合金和钽合金具有高密度、高熔点、良好的韧性等优异的性能,被广泛应用于航天航空、武器等领域,故钨合金和钽合金的焊接研究在国防军事领域占有重要地位。然而,由于高温下容易发生钨和钽的再结晶和晶粒粗化和低温下钨和钽的互扩散极其有限的原因,钨合金和钽合金的直接焊接性较差,采用添加中间层的方法提高钨合金和钽合金的扩散焊接性。
本论文采用真空扩散焊接方法获得了93W/Ni/Ta扩散焊接接头。采用万能试验机测试焊接接头的剪切强度,通过SEM、EPMA、光学显微镜等分析焊接接头的显微结构和元素分布,通过XRD进行断口物相分析,探讨焊接工艺参数与焊接结构、性能之间的规律关系。通过Fick第二定律和Boltzmann-Matano方法分析了93W/Ni/Ta扩散焊接机理,得到Ni/W和Ni/Ta界面过渡区的形成与元素扩散之间的规律。
93W/Ni/Ta焊接接头的剪切强度随着焊接温度和保温时问的增加而增加。当焊接温度为930℃,保温时间为30min,焊接压力为20MPa时,其剪切强度高达244MPa。焊接接头界面及剪切断口的元素和物相分析结果表明,Ni/Ta界面处主要生成h.c.p-Ni3Ta、f.c.c-Ni3Ta和Ni2Ta三种金属间化合物;93W/Ni焊接接头界面由Ni/W界面和Ni/93W的粘结相(Ni-Fe)界面组成,Ni/W界面处由固溶层Ni(W)和金属间化合物Ni4W组成,Ni/粘结相(Ni-Fe)界面通过Ni的自扩散及Ni/Fe的互扩散形成。断口断裂处位于Ni/Ta界面金属间化合物h.c.p-Ni3Ta、f.c.c-Ni3Ta和Ni2Ta之间。界面反应层由热力学和动力学因素共同决定,生成模型分为三个阶段:有效物理接触阶段、固溶层形成阶段、金属间化合物形成与长大阶段。
通过Fick第二定律和:Boltzmann-Matano方法确定了93W/Ni和Ni/Ta扩散焊界面过渡区元素的扩散系数,计算结果表明W、Ni、Ta元素的扩散系数均随焊接温度和元素浓度的增加而增大,Ni/W界面W元素的扩散能力比Ni元素强,Ni/Ta界面Ta元素的扩散能力比Ni元素强。故Ni/W界面依靠W元素的扩散实现,Ni/Ta界面依靠Ta元素的扩散实现,这与相图和元素线能谱分析结果相一4致。结合扩散系数与误差函数解计算得到了界面反应层元素的反应扩散方程,并加以优化。通过元素扩散距离和扩散速率与时间的经验公式计算得到了Ni/W界面和Ni/Ta界面过渡区各相层宽度与焊接温度和保温时间的关系方程,结果表明Ni/W界面各相层的扩散激活能较低,Ni/W界面处各相层更容易形成,这与Ni/W界面元素线能谱结果及Ni/Ta断口的XRD结果相一致。