[发明专利]一种石墨与不锈钢的高温钎焊连接方法

说明书

一种石墨和不锈钢的高温钎焊连接方法，包括下述步骤：选择非晶态钎料箔片和塑性金属箔片作为钎焊材料，将清洁处理后的石墨、不锈钢、非晶态钎料箔片和塑性金属箔片组成石墨/非晶态钎料箔片/塑性金属箔片/非晶态钎料箔片/不锈钢的夹心结构，并将此结构置于真空炉中，以5‑10℃/min的速度升温至1040‑1180℃，保温30‑90min进行钎焊连接，然后分段保温缓慢冷却至室温。本发明有效地解决了石墨与不锈钢热膨胀系数的严重不匹配性和润湿性问题，大大降低了接头的残余应力，避免了裂纹的形成，实现了石墨和不锈钢之间的良好连接。

技术领域

本发明涉及的是石墨与不锈钢的连接，具体的说是一种石墨与不锈钢的高温钎焊连接方法，属于材料连接领域。

背景技术

石墨是一种新型的高强材料，常温下具有良好的化学稳定性，具有极高的熔点、优异的抗腐蚀性能、耐压强度、和高热传导性，相对密度较低，广泛应用于国防工业、航空航天、能源及交通行业。不锈钢，特别是奥氏体不锈钢具有良好的力学性能和工艺性能、良好的耐蚀性和高强度，是石油、化工、化肥等工业部门中广泛使用的金属材料。石墨与不锈钢的连接件有望兼具两者的优点，在国防和民用产业方面具有广阔的发展前景。

由于石墨与不锈钢的润湿性较差，且两者在热导率和热膨胀系数方面存在很大的差别，石墨与不锈钢在焊接过程中会产生极大的热应力和开裂现象。因此，石墨与不锈钢在焊接过程中存在的突出问题是开裂，严重的还会导致焊接接头直接断裂，阻碍了石墨与不锈钢复合结构的推广应用。目前，石墨与不锈钢的连接方法主要有两种：一是机械铆接，用铆钉之类的固定件将石墨与不锈钢连接在一起；二是粘结剂粘接，包括有机粘结剂和无机粘结剂。机械铆接在厚大件的连接方面存在不足，粘结剂粘接在强度以及高温服役方面也是难以胜任的。因此，研究开发新的连接工艺以扩大其使用范围很有必要。钎焊对母材表面状况要求较低，可在无压力或小压力的条件下完成连接，并且接头结构形式多样。因此，钎焊非常适合石墨与不锈钢的连接。此外，由于石墨的高温抗氧化性能差，采用真空钎焊是连接它的一种极佳方法。

异种材料之间的钎焊连接特别是非金属与金属材料钎焊连接时，热膨胀系数严重不匹配，因此会产生极大的热应力。为了改善接头的质量，通常采用在钎料中添加热膨胀系数介于母材之间的材料，形成热膨胀系数梯度过度；或者添加塑性中间层，通过塑性中间层的塑性变形来缓解热应力。又由于不锈钢熔点较石墨相比低很多，不锈钢的使用温度在-196℃-800℃之间，因此应当使用高熔点钎料焊接石墨与不锈钢，但钎料熔点应低于不锈钢的熔点以下150℃左右(不锈钢熔点约1300℃-1400℃)。非晶态钎料是近年来发展起来的一种新型钎料。所谓“非晶态”是相对于晶态而言的，其特征是保留了液态金属的原子无序排列的结构和各向异性，但原子之间仍以金属键结合。非晶态钎料化学成分均匀，纯度高，钎料各组分不分离，能显著改善钎焊接头的强度。与膏状钎料相比，不含粘接剂，加热速率不受限制，钎缝无非金属夹渣，钎焊接头质量高。一般情况下，在相同的钎焊间隙及钎焊规范下，非晶态钎料钎焊接头区域元素的扩散深度和分布均匀程度均大于晶态钎料。因此，非晶态钎料的接头强度远高于晶态钎料接头强度。

针对石墨与不锈钢在焊接过程中的存在的开裂问题，本发明利用了非晶态钎料钎焊接头性能的优异性和塑性中间层能有效缓解热应力的特点，提出了一种用非晶态镍基钎料与塑性金属箔片组成“非晶态钎料/塑性金属箔片/非晶态钎料”三明治夹心结构钎焊石墨与不锈钢的方法。

发明内容

本发明针对石墨和不锈钢焊接时极大的热膨胀系数不匹配性和润湿性问题，提供一种石墨和不锈钢的真空钎焊工艺。利用两层非晶态BNi82CrSiB钎料箔片和塑性金属箔片组成三明治夹心结构，与被焊母材发生一系列复杂的物理和化学反应，有效地缓解了接头的的热应力，得到了具有良好高温力学性能的焊接接头，实现了母材之间的良好连接。其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)预处理：分别将石墨和砂纸打磨后的不锈钢、非晶态BNi82CrSiB钎料箔片、塑性金属箔片放入酒精溶液中进行超声波清洗20-40min,然后用去离子水清洗干净，烘干待用。