在核工业中,经常会遇到许多异种金属及难熔金属之间的焊接问题,铌合金和不锈钢的连接就是其中之一。由于铌合金和不锈钢的化学成分及熔点、线膨胀系数等物理性能有较大差异,两者可焊性较差,焊后接头的质量很难保证,因此,铌合金和不锈钢的焊接历来是焊接中的技术难点。

文献中指出,铌合金与不锈钢的熔-钎焊连接时,为使焊接接头具有最佳机械性能,铌合金的加热温度不能低于焊接熔池中的熔融不锈钢温度的80%,而熔融不锈钢与铌合金的接触时间不得小于0.8 s或超过1.1～1.3 s,否则，不能形成焊接接头,或在焊缝中形成脆性金属化合物。显然这一要求对焊接工艺的控制来说极为苛刻。有关人员曾对Nb-1Zr合金和1Cr18Ni9不锈钢真空电子束熔-钎焊接头组织和性能作过研究,研究发现,在连接界面处形成的互扩散层中含有大量的条状析出相，析出相呈全片层状结构。

本工作研究针对Nb-1Zr 与1Cr18Ni9Ti 2种母材的高温真空钎焊连接方法。铌合金与不锈钢的熔点﹑线膨胀系数等性质差异显著，熔-钎焊连接方法的工艺十分复杂,加之实际应用的焊接结构对熔-钎焊的实施有一定的局限性，这使高温真空钎焊的方法方得以应用。在高温真空钎焊过程中,液态钎料在毛细填缝的同时会与母材发生作用,如溶解﹑扩散等,引起钎缝组织成分、钎焊接头性能和重熔温度等一系列变化。钎焊工艺的参数,如零件表面的粗糙度和洁净度、真空度﹑焊缝间隙﹑钎焊湿度、保温时间等,既影响钎料的流动性和润强性:又决定着钎料与母材之间的冶金反应，影响接头性能。所以,确定合理的工艺规范并较准确地控制这些规范参数对保证获得高质量的高温真空钎焊接头具有重要意义。

1高温真空钎焊接头形式、应用条件和性能要求

钎焊接头母材选用Nb-1Zr 合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢,二者成分差别很大,组织和性能也有很大差异，1Cr18Ni9Ti的熔点比Nb-1Zr低1000℃以上,线膨胀系数约是Nb-1Zr的2～3倍,比热容约是Nb-1Zr的2倍,热导率只有Nb-1Zr的1/3左右。这些差别使熔焊连接Nb-1Zr 和1Cr18Ni9Ti变得十分困难。相对而言,高温真空钎焊的方法更具优势。

根据应用要求,焊接接头为管接头套接的形式,内层为1Cr18Ni9Ti,外层为Nb-1Zr合金。由于两种母材的线膨胀系数差别较大,对这种接头形式,钎焊过程中会产生很大的热应力,而且没有自由端来释放,冷却后接头内部为拉应力状态。

钎焊接头工作时,内部为真空状态,工作环境中有强中子辐照,工作温度为600~700℃,会伴有一定的热冲击状况。要求钎焊后的接头具有严格的真空密封性能,抗热冲击能力和抗中子辐照能力。

2高温真空钎焊工艺试验

2.1真空钎料

选用镍基钎料BNi-5作为Nb-1Zr合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接的钎料，BNi-5钎料具体成分为:Cr,18.5%~19.5%; Si,9.75%~10.75%;C,0.10%;其他,0.5%;余量为Ni,它是以镍为基体,加人降低熔点的元素Si及提高热强度抗氧化耐腐蚀的元素Cr形成。钎料固相线温度为1079℃,液相线温度为1 135 ℃,由Ni+Ni₅Si₂+Cr₃Ni₅Si₂组成,但Cr₃Ni₅Si₂相的数量极少。

2.2真空钎焊工艺规范的确定

钎焊温度和保温时间是钎焊过程中最主要的参数。确定钎焊温度的主要依据是所选用钎料的熔点。通常,钎焊温度比钎料液相线温度高25-60 ℃。钎焊时温度越高,液态钎料表面张力越小,润湿效果越好，填缝能力越强。但温度过高可能造成母材晶粒过分长大、过热、过烧等,且钎料铺展能力过强时,易造成钎料的流失,不易填满钎缝和形成优良圆角,同时也易造成母材的溶蚀。确定保温时间的主要依据是钎料与母材相互作用的特性,还应考虑到焊件的尺寸,钎缝间隙及钎料放置位置等因素。钎焊温度和保温时间不能孤立地确定,二者有一定的互补关系。

加热和冷却速度对钎焊接头质量也有一定影响。在保证均匀加热的前提下,应尽量提高加热速度。一般在室温至900℃范围内升温可较为缓慢,在900 ℃下保温一段时间,这样,既可实现均匀加热,又可提高钎焊的真空度。在从均热温度至钎焊温度范围内,应尽可能使其快速升温,以避免钎料散布前与母材过早合金化,甚至发生溶蚀现象。冷却时,合理控制冷却速度,使焊后热处理和焊后冷却同时完成。一般,在钎焊温度至750℃范围内,为避免钎料的偏析,应快速冷却,而在750 ℃至室温范围内缓冷,则可有效防止焊接变形。

2.3炉中真空钎焊

钎焊在真空炉中进行,高温下真空度优于8×10^-3Pa,利用高频感应加热设备加热钽发热体,发热体通过热辐射加热钎焊接头及钎料，实现接头焊接的目的。

利用BNi-5钎料,选取一系列的工艺参数，进行Nb-1Zr 与1Cr18Ni9Ti炉中高温真空钎焊工艺试验。焊后,对焊接接头进行性能检验和微观分析。根据检验和分析结果,优化参数，改进钎焊工艺。

3结论

通过利用B-Ni5钎焊Nb-1Zr 与1Cr18Ni9Ti的高温真空钎焊工艺试验,以及焊后对钎焊接头的性能检验与分析,对高温真空钎焊工艺提出如下改进方案。

1)采用B-Ni5钎焊Nb-1Zr 与1Cr18N9Ti时,钎焊温度为1170~1190℃,根据接头的结构和尺寸,保温时间控制在2～10 min,在此条件下可获得良好结果。钎焊后接头的真空密封性能、抗热冲击性能和承载能力能得以确保,钎焊后的接头满足使用工况要求。

2)采用B-Ni5钎焊Nb-1Zr 与1Cr18Ni9Ti时,在靠近Nb-1Zr一侧的焊缝中,存在一10～15 μm厚 Nb,Ni,Si,Cr互扩散层。在力学性能方面看,这个互扩散层是钎焊缝的薄弱环节,钎焊时应尽量从工艺上加以控制,抑制扩散层的形成。

3)由于Nb-1Zr与1Cr18Ni9Ti的线膨胀系数存在很大差异,使得钎焊后管件接头存在很大热应力,这给接头的真空密封增加了难度。若实际条件允许,应将接头设计成内层为铌、外层为不锈钢的形式,这种形式可改善接头钎焊后的应力状态。