一種鎢塊六面擴(kuò)散焊接鉭層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及難熔金屬的焊接領(lǐng)域，特別是涉及一種鎢塊焊接鉭層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中國散裂中子源是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，它是一個(gè)用中子來了解微觀世界 的工具；為我國在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、醫(yī)藥、國防科研和新型核能 開發(fā)等學(xué)科前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)研究提供一個(gè)新進(jìn)、功能強(qiáng)大的大科學(xué)研 究平臺(tái)。中國散裂中子源是發(fā)展中國家擁有的第一臺(tái)散裂中子源，和正在運(yùn)行的美國、日本 與英國散裂中子源一起，構(gòu)成世界四大脈沖散裂中子源。
[0003] 散裂中子源采用鎢作為靶材，由于高能質(zhì)子束流轟擊鎢時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為了 降溫必須采用高速水流對(duì)其進(jìn)行冷卻。但是，鎢塊在高輻照和高速水流沖刷環(huán)境下，容易腐 蝕開裂，影響鎢靶的壽命。因此需要在鎢塊表面焊接一層鉭層，增強(qiáng)靶塊的抗腐蝕性能，提 高靶體壽命。
[0004] 目前國際通用的鎢塊焊接鉭層的方法為，預(yù)先將鉭片通過電子束焊接技術(shù)，焊接 成一個(gè)空心盒子，空心鉭盒尺寸與鎢塊尺寸一致；將鎢塊放入鉭盒內(nèi)，再蓋上另外一片鉭 片，同樣采用電子束焊接將蓋上的鉭片與鉭盒焊接，使裝入了鎢塊的空心鉭盒封閉；然后在 裝入了鎢塊并封閉焊接好的鉭盒的外面包裹多層吸氣材料，包裹好后，在1500度，進(jìn)行2-3 小時(shí)的熱等靜壓擴(kuò)散焊接，使鉭盒與鎢塊六面擴(kuò)散連接在一起，形成特別用于散裂中子源 的鉭鎢復(fù)合材料。該國際通用方法存在三個(gè)不足：第一，電子束焊接制備鉭盒的難度較大， 并且，裝入鎢塊后，在將鉭片與鉭盒進(jìn)行電子束焊接，使鉭盒封閉時(shí)，必須保證鉭盒內(nèi)鎢塊 接觸的空間為真空狀態(tài)以保障后續(xù)的熱等靜壓擴(kuò)散焊接質(zhì)量，這也很難做到，經(jīng)常會(huì)存在 內(nèi)部殘余有空氣，導(dǎo)致熱等靜壓擴(kuò)散焊接失敗。第二，在整個(gè)過程中電子束焊接工序非常 多，也非常復(fù)雜，使得鉭鎢復(fù)合材料的靶組件價(jià)格非常昂貴。第三，在熱等靜壓時(shí)，需要在鉭 盒外包裹多層吸氣材料，如果不包裹吸氣材料，鉭表面會(huì)被氧化，影響質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請(qǐng)的目的是提供一種改進(jìn)的鎢塊六面擴(kuò)散焊接鉭層的方法。
[0006] 本申請(qǐng)采用了以下技術(shù)方案：
[0007] 本申請(qǐng)公開了一種六面擴(kuò)散鎢塊焊接鉭層的方法，包括采用鈦、鐵或鉬中的至少 一種金屬制作外包套，外包套具有容納鎢塊的空心內(nèi)腔，在外包套的空心內(nèi)腔的內(nèi)壁上依 序鋪放隔片和鉭片，再放入鎢塊，鉭片緊密的貼合在鎢塊表面，隔片將鉭片和外包套隔開； 然后在真空條件下，對(duì)外包套的一個(gè)或兩個(gè)端面進(jìn)行電子束焊接，在進(jìn)行電子束焊接之前， 在位于外包套端面的鎢塊表面依序鋪放鉭片、隔片，鉭片緊密貼合于鎢塊表面，再用金屬片 蓋封，將蓋封的金屬片與外包套電子束焊接；然后將其放入熱等靜壓擴(kuò)散焊接裝置中進(jìn)行 擴(kuò)散焊接；焊接完成后取出，將外包套去除，即獲得具有鉭層的鎢塊。
[0008] 可以理解，外包套端面蓋封的金屬片原則上與外包套采用相同的材質(zhì)，外包套可 以是鈦、鐵或鉬金屬制備的，也可以是三者任意兩種或三種的合金，金屬片也采用相應(yīng)的材 質(zhì)，如外包套為鈦金屬，則金屬片為鈦金屬片。當(dāng)然，金屬片的目的是蓋封外包套端面，只要 能夠?qū)⒔饘倨c外包套穩(wěn)固的焊接在一起，也并不一定要求兩者的材質(zhì)一樣，在此不做具 體限定。
[0009] 需要說明的是，本例采用鈦、鐵或鉬中的至少一種金屬制作外包套，與現(xiàn)有技術(shù)的 鉭盒相比，第一，本申請(qǐng)采用的金屬外包套更容易加工，且不需要多次電子束焊接形成鉭 盒；第二，現(xiàn)有技術(shù)中，鉭盒的鉭片是直接擴(kuò)散在鎢塊表面形成鉭層的，因此，鉭盒的大小、 厚度，包括焊接縫，都必須均勻，這增加了電子束焊接鉭盒的難度，而本申請(qǐng)的外包套在熱 等靜壓擴(kuò)散焊接完成后是要去除的，鉭層直接取決于裝入的鉭片，因此相對(duì)來說更加簡(jiǎn)單； 第三，由于采用金屬外包套，無需包裹吸氣材料。
[0010] 本申請(qǐng)的隔片目的是將鉭片與外包套隔開，因?yàn)椋诤罄m(xù)的熱等靜壓擴(kuò)散焊接中， 如果沒有隔片，外包套與鉭片之間也會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散連接在一起，這樣，將外包套去除后就很難 保障鉭層的厚度；加入隔片后，避免了金屬外包套與鉭片的擴(kuò)散連接，熱等靜壓擴(kuò)散焊接完 成后，直接去除外包套即可，簡(jiǎn)單方便。可以理解，本申請(qǐng)的隔片是耐高溫的，并且不與鉭片 擴(kuò)散連接的材料，最好也是不與外包套擴(kuò)散連接的材料。
[0011] 還需要說明的是，本申請(qǐng)的制備方法，其關(guān)鍵在于采用外包套對(duì)鉭片和鎢塊進(jìn)行 定位，至于隔片、鉭片或鎢塊的裝入順序并不重要，可以是先裝入鎢塊再插入鉭片，然后在 鉭片和外包套之間插入隔片，也可以是先將隔片和鉭片鋪放在外包套內(nèi)壁，再裝入鎢塊，又 或者先將隔片固定在外包套內(nèi)壁，鉭片簡(jiǎn)單固定在鎢塊表面后，一起裝入固定了隔片的外 包套內(nèi)；在此不做具體限定。此外，在對(duì)外包套端面進(jìn)行電子束焊接時(shí)，外包套可以是兩頭 都掏空的，即具有兩個(gè)端面，因此需要對(duì)外包套的兩個(gè)端面進(jìn)行電子束焊接；也可以是其中 一頭掏空，以便放入鎢塊即可，則只需要對(duì)外包套的一個(gè)端面進(jìn)行電子束焊接；無論是那種 情況，總的來說，對(duì)于一個(gè)正方體或長(zhǎng)方體的鎢塊，其上、下、左、右、前、后六個(gè)面都是緊密 貼合有鉭片的，而鉭片和外包套或蓋封的金屬片之間設(shè)置有隔片。
[0012] 還需要說明的是，本申請(qǐng)的方法，只需要在將蓋封的金屬片與外包套固定密封時(shí) 使用電子束焊接，大大減少了電子束焊接的次數(shù)，從而降低了成本，并且由于外包套的存 在，也不需要使用包裹吸氣材料。更為重要的是，與鉭盒的傳統(tǒng)方法相比，鉭盒由于是固定 焊接好的，因此，在鉭盒和鎢塊之間容易有空氣殘留，從而導(dǎo)致后續(xù)的熱等靜壓擴(kuò)散焊接失 ??；而本申請(qǐng)的方法，鎢塊六個(gè)面的鉭片彼此之間是不固定的，通過外包套和隔片可以使得 鉭片和鎢塊緊密貼合，從而保障鎢塊和鉭片之間沒有空氣殘留。
[0013] 優(yōu)選的，隔片為由氧化鋯和氧化釔為主要材料制備的陶瓷片。
[0014] 可以理解，本申請(qǐng)的隔片其主要作用在于將鉭片和外包套隔離，只要在熱等靜壓 擴(kuò)散焊接時(shí)，不與鉭片擴(kuò)散連接的材料都可以用于本申請(qǐng)；但是，本申請(qǐng)優(yōu)選的方案中，考 慮到機(jī)械強(qiáng)度和高溫承受能力，優(yōu)選的采用由氧化鋯和氧化釔為主要材料制備的陶瓷片作 為隔片。
[0015] 優(yōu)選的，陶瓷片的平面度為0.05mm或0.05mm以內(nèi)。
[0016] 優(yōu)選的，陶瓷片的厚度為l-10mm。
[0017] 優(yōu)選的，外包套由圓柱體金屬塊中心掏空而成。
[0018] 需要說明的是，外包套的主要作用是將鎢塊和鉭片定位，只要能夠保障鎢塊和鉭 片緊密接觸即可，因此，外包套的工藝要求相對(duì)較低，最簡(jiǎn)單的，直接由圓柱體金屬塊中心 掏空即成；與鉭盒的方式相比，簡(jiǎn)單方便，且無需電子束焊接，成本降低。
[0019] 優(yōu)選的，熱等靜壓擴(kuò)散焊接裝置中進(jìn)行擴(kuò)散焊接的條件為，1500-1600°c， 100-200MPa，保溫 2 小時(shí)。
[0020] 需要說明的是，可以理解，本申請(qǐng)的關(guān)鍵在于采用外包套對(duì)鎢塊和鉭片進(jìn)行定位， 至于熱等靜壓擴(kuò)散焊接裝置或焊接條件，可以參考常規(guī)的擴(kuò)散焊接進(jìn)行；但是，為了保障制 備的鉭鎢復(fù)合材料的質(zhì)量，本申請(qǐng)優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式中對(duì)溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間進(jìn)行了特殊限定。 [0021 ] 本申請(qǐng)的另一面還公開了，本申請(qǐng)的方法所制備的鉭鎢復(fù)合材料。
[0022] 可以理解，本申請(qǐng)的鎢塊焊接鉭層的方法及鉭鎢復(fù)合材料是特別針對(duì)散裂中子源 的應(yīng)用而研究改進(jìn)的，本申請(qǐng)的方法有效的改進(jìn)了鉭鎢復(fù)合材料的制備工藝，無需大量的 電子束焊接，成本低，工藝簡(jiǎn)單；其制備的鉭鎢復(fù)合材料不僅限于用于散裂中子源。
[0023] 本申請(qǐng)的有益效果在于：
[0024] 本申請(qǐng)的制備方法，采用外包套對(duì)鉭片和鎢塊進(jìn)行定位，省略了預(yù)先采用電子束 焊接制備鉭盒的步驟，在簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)，也降低了生產(chǎn)成本。并且，由于具有外包套，無需 額外的吸氣材料包裹，工藝簡(jiǎn)單；而隔片的使用，在擴(kuò)散焊接完成后，能夠很方便的將產(chǎn)物 取出，簡(jiǎn)單易操作。本申請(qǐng)的制備方法簡(jiǎn)單、易控，且成本低，能滿足批量高效生產(chǎn)鉭鎢復(fù)合 材料的需求，為散裂中子源的研究和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0025]圖1是本申請(qǐng)實(shí)施例中光學(xué)顯微鏡觀察的鉭鎢復(fù)合材料擴(kuò)散焊接界面圖，圖中 Tantalum表示鉭片區(qū)域，Tungsten表示媽塊區(qū)域，Interface表示擴(kuò)散焊接界面。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 由于現(xiàn)有的散裂中子源設(shè)備很少，其鎢塊焊接鉭層的研究也相對(duì)有限，目前國際 上使用的就是鉭盒中裝配鎢塊然后進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接，形成具