钨与异种材料连接的研究进展

刘大双; 吴玉程; 许建华; 李雄辉; 罗来马; 武昭妤; 钟素娟

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.09

有色轻金属焊接 | 浏览量 : 0 下载量: 766 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

钨与异种材料连接的研究进展
Research Progress on the Joining of Tungsten with Different Materials
2023年53卷第8期页码：67-77
收稿：2023-07-01，

纸质出版：2023-08-25
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.09
稿件说明：

移动端阅览

刘大双，吴玉程，许建华，等.钨与异种材料连接的研究进展［J］.电焊机，2023，53（8）：67-77. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.09.

LIU Dashuang, WU Yucheng, XU Jianhua, et al.Research Progress on the Joining of Tungsten with Different Materials[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(8): 67-77. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.09.

摘要

钨及其合金是制造各类电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物不可或缺的材料，它与异种材料钢、铜等连接形成新构件能够满足不同工作条件对材质的不同要求并发挥不同材料的性能优势，因此，实现钨/钢、钨/铜等异质材料高质量、高可靠连接，对于拓展钨及其合金在冶金、国防、电子、核电等领域的应用具有重要意义。但是，钨与钢、铜等的互溶性有限、物理化学性能差异较大，导致焊接性差。本文综述了国内外关于钨/钢及钨/铜连接技术的研究现状，并展望了钨与异种材料连接的技术方向和发展前景。

Abstract

Tungsten and its alloys are indispensable materials for manufacturing various Electron optics materials

special alloys

new functional materials and organometallic compounds. They are connected with dissimilar materials such as steel and copper to form new components that can meet the different requirements for materials under different working conditions and give play to the performance advantages of different materials. Therefore

the realization of high-quality and reliable connection of tungsten/steel

tungsten/copper and other heterogeneous materials will expand the application of tungsten and its alloys in metallurgy

national defense The applications in fields such as electronics and nuclear power are of great significance. However

the limited mutual solubility and significant differences in physical and chemical properties between tungsten and steel

copper

etc. result in poor weldability. This article summarizes the current research status of tungsten/steel and tungsten/copper bonding technology both domestically and internationally

and looks forward to the technical direction and development prospects of tungsten bonding with dissimilar materials.

关键词

Keywords

references

姜恒 . 钨在化工领域中的应用现状和发展前景［J］. 中国钨业， 2012 ， 27 （ 01 ）： 50 - 55 .

JIANG H . The Application and Developmental Prospects of Tungsten in Chemical Industry ［J］. China Tungsten Industry ， 2012 ， 27 （ 01 ）： 50 - 55 .

屈丹丹，周张健，谈军，等 . 钎焊温度和热处理对钨铜连接性能的影响［J］. 粉末冶金材料科学与工程， 2012 ， 17 （ 3 ）： 390 - 394 .

QU D D ， ZHOU Z J ， TAN J ， et al . Effects of brazing temperature and heat treatment on properties of tungsten and copper joint ［J］. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy ， 2012 ， 17 （ 3 ）： 390 - 394 .

蔡高参，符巨博，张东星，等 . 热等静压技术在钨合金领域的应用研究进展［J］. 航空制造技术， 2021 ， 64 （ Z2 ）： 14 - 20 .

CAI G S ， FU J B ， ZHANG D X ， et al . Application of Hot Isostatic Pressing Technology in Tungsten Alloy ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2021 ， 64 （ Z2 ）： 14 - 20 .

张莹莹，熊宁，王学兵，等 . 增材制造制备钨及钨合金材料研究进展［J］. 稀有金属， 2023 ， 51 （ 05 ）： 651 - 663 .

ZHANG Y Y ， XIONG N ， WANG X B ， et al . Research Progress on Additive Manufacturing of Tungsten and Tungsten Alloy Materials ［J］. Rare Metals ， 2023 ， 51 （ 05 ）： 651 - 663 .

Wang J ， Cheng L ， Yuan Y ， et al . Fuzz nanostructure and erosion on tungsten-vanadium alloys exposed to helium plasma in the STEP linear plasma device ［J］. Nuclear Fusion ， 2019 ， 59 （ 8 ）： 086038 .

Rebesan P ， Bonesso M ， Gennari C ， et al . Tungsten fabricated by laser powder bed fusion ［J］. Berg Huettenmaenn Monatsh ， 2021 ， 166 （ 1 ）： 263 .

齐勇田 . 钎焊技术顾问［M］. 北京：化学工业出版社， 2015 .

郭夏阳，林建平，孙博 . 扩散焊技术的研究进展［J］. 热加工工艺， 2014 ， 43 （ 17 ）： 15 - 20 .

GUO X Y ， LIN J P ， SUN B . Research Progress on Diffusion Welding Technology ［J］. Hot Working Technology ， 2014 ， 43 （ 17 ）： 15 - 20 .

陈远亭，李先芬，陈柏炎 . 钨的钎焊研究进展［J］. 有色金属材料与工程， 2018 ， 39 （ 6 ）： 32 - 36 .

CHEN Y T ， LI X F ， CHEN B Y . Research Progress on Tungsten Brazing ［J］. Nonferrous Metal Materials and Engineering ， 2018 ， 39 （ 6 ）： 32 - 36 .

Huang Q ， LI C ， LI Y ， et al . Progress in development of China Low Activation Martensitic steel for fusion application ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2007 ， 367-370 （ 3 ）： 142 - 146 .

Basuki W W ， Aktaa J . Investigation on the diffusion bonding of tungsten and EUROFER97 ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2011 ， 417 ： 524 - 527 .

Zhong Z ， Hinoki T ， Nozawa T ， et al . Microstructure and mechanical properties of diffusion bonded joints between tungsten and F82H steel using a titanium interlayer ［J］. Journal ofAlloys and Compounds ， 2010 ， 489 （ 2 ）： 545 - 551 .

Basuki W W ， Aktaa J . Investigation of tungsten/ EUROFER97 diffusion bonding using Nb interlayer ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2011 ， 86 （ 9-11 ）： 2585 - 2588 .

Basuki W W ， Dahm R ， Aktaa J . Thermomechanical analysis of diffusion- bonded tungsten/ EUROFER97 with a vanadium interlayer ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2014 ， 455 （ 1-3 ）： 635 - 639 .

Cai Q S ， Liu W S ， Ma Y Z ， et al . Microstructure， residual stresses and mechanical properties of diffusion bonded tungsten- steel joint using a V/Cu composite barrier interlayer ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials ， 2015 （ 48 ）： 312 - 317 .

Qing S C ， Wen S L ， Yun Z M ， et al . Influence of intermetallic compounds on the microstructure and strength properties of diffusion bonded W-steel joints using Ti/Ni composite interlayer ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2018 ， 132 ： 110 - 118 .

Zong H Y ， Yi F S ， et al . Tungsten/steel diffusion bonding using Cu/W-Ni/Ni multi-inter layer ［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2014 ， 24 ： 2554 - 2558 .

Kalin B A ， Fedotov V T ， Sevrjukov O N ， et al . Development of rapidly quenched brazing foils to join tungsten alloys with ferritic steel ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2004 ， 329-333 ： 1544 - 1548 .

马运柱，刘昊阳，刘文胜，等 . 钒/镍复合中间层扩散焊接钨与钢的界面结构及力学性能［J］. 焊接学报， 2014 ， 35 （ 12 ）： 1 - 6+8 .

MA Y Z ， LIU H Y ， LIU W S ， et al . Interface Structure and Mechanical Properties of Tungsten-Steel Joints with Vanadium/Nickel Composite Interlayer by Diffusion Welding ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2014 ， 35 （ 12 ）： 1 - 6+8 .

李永，龙伟民，于新泉 . 硬质合金与钢钎焊用层状复合钎料制备技术［J］. 焊接， 2013 （ 08 ）： 49-51+71 - 72 .

LI Y ， LONG W M ， YU X Q . Preparation Technology of Layered Composite Brazing Filler for Hard Alloy to Steel Brazing ［J］. Welding & Joining ， 2013 （ 08 ）： 49-51+71 - 72 .

秦建，龙伟民，路全彬，等 . 金刚石/NiCrBSi钎涂接头组织与耐磨性能分析［J］. 材料导报， 2020 ， 34 （ S2 ）： 1457 - 1461 .

QIN J ， LONG W M ， LU Q B ， et al . Analysis of Diamond/NiCrBSi Braze-Coated Joint Structure and Wear Resistance Performance ［J］. Materials Reports ， 2020 ， 34 （ S2 ）： 1457 - 1461 .

刘文胜，刘书华，马运柱，等 . 基于镍基微晶钎料的钨/钢真空焊接接头的组织及性能［J］. 中国有色金属学报， 2014 ， 24 （ 12 ）： 3051 - 3058 .

LIU W S ， LIU J H ， MA Y Z ， et al . Microstructure and Properties of Tungsten/Steel Vacuum Brazed Joints Using Nickel-Based Amorphous Brazing Filler ［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals ， 2014 ， 24 （ 12 ）： 3051 - 3058 .

Bachurina D ， Suchkov A ， Gurova J ， et al . Joining tungsten with steel for DEMO： Simultaneous brazing by Cu-Ti amorphous foils and heat treatment ［J］. Fusion engineering and design ， 2021 ， 162 ： 112099 .

奚海峰，汪小龙，黄洵，等 . 钎焊参数对钨合金/钢钎焊接头性能的影响［J］. 精密成形工程， 2017 ， 9 （ 02 ）： 83 - 86 .

XI H F ， WANG X L ， HUANG X ， et al . Influence of Brazing Parameters on the Performance of Tungsten Alloy/Steel Brazed Joints ［J］. Journal of Precision Forming Engineering ， 2017 ， 9 （ 02 ）： 83 - 86 .

孔维清，曹雅婷，李先芬，等 . 钨/钛/MA956钢SPS扩散连接的界面结构和力学性能［J］. 金属功能材料， 2019 ， 26 （ 04 ）： 36 - 41 .

KONG W Q ， CAO Y T ， LI X F ， et al . Interface Structure and Mechanical Properties of Tungsten/Titanium/MA956 Steel SPS Diffusion Joints ［J］. Journal of Functional Materials in Metal ， 2019 ， 26 （ 04 ）： 36 - 41 .

杨宗辉，沈以赴，初雅杰，等 . W-（Ni-Cr-Fe-Si-B）混合粉末中间层真空扩散钎焊连接钨与钢［J］. 中国有色金属学报， 2017 ， 27 （ 05 ）： 941 - 946 .

YANG Z H ， SHEN Y F ， CHU Y J ， et al . W-（Ni-Cr-Fe-Si-B） Interlayer Vacuum Diffusion Brazing for Joining Tungsten and Steel ” ［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals ， 2017 ， 27 （ 05 ）： 941 - 946 .

郑春财 . 钎焊工艺对钨/钢焊缝组织结构和焊接强度的影响［J］. 中国钨业， 2019 ， 34 （ 05 ）： 65 - 70 .

ZHENG C C . Influence of Brazing Process on Microstructure and Welding Strength of Tungsten/Steel Joints ［J］. Chinese Journal of Tungsten Industry ， 2019 ， 34 （ 05 ）： 65 - 70 .

Liu M . Development of an Alternative to the Plasma Cladding Process： the Plasma Spray Melting Technology ［J］. Journal of Thermal Spray Technology ， 2023 ， 32 ： 1362 - 1377 .

Yahiro Y ， Mitsuhara M ， Tokunakga K ， et al . Characterization of thick plasma spray tungsten coating on ferritic/martensitic steel F82H for high heat flux armor ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2009 ， 386-388 ： 784 - 788 .

Vassen R ， Rauwald K H ， Guillon O ， et al . Vacuum plasma spraying of functionally graded tungsten/EUROFER97 coatings for fusion applications ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2018 ， 133 ： 148 - 156 .

张冠星，龙伟民，沈元勋，等 . 梯度三明治银基钎料复合界面组织及生长动力学研究［J］. 材料科学与工艺， 2022 ， 30 （ 03 ）： 28 - 35 .

ZHANG G X ， LONG WM ， SHEN Y X . Study on Interface Structure and Growth Kinetics of Gradient Sandwich Silver-based Brazing Filler Composite ［J］. Materials Science and Technology ， 2022 ， 30 （ 03 ）： 28 - 35 .

Thomas G ， Vincent R ， Matthews G ， et al . Interface topography and residual stress distributions in W coatings for fusion armour applications ［J］. Materials Science and Engineering A ， 2008 ， 517 ： 35 - 42 .

韩小敏，王少刚，黄燕 . 金属爆炸焊的研究现状及发展趋势［J］. 电焊机， 2016 ， 46 （ 04 ）： 112 - 117 .

HAN X M ， WANG S G ， HUANG Y . Current Research Status and Development Trends of Explosive Welding of Metals ［J］. Electric Welding Machine ， 2016 ， 46 （ 04 ）： 112 - 117 .

姜超，龙伟民，冯健，等 . 铜/不锈钢爆炸焊界面组织及性能［J］. 焊接， 2021 （ 09 ）： 22 - 27+62 .

JIANG C ， LONG W M ， FENG J ， et al . Interface Structure and Performance of Copper/Stainless Steel Explosion Welding ［J］. Welding & Joining ， 2021 （ 09 ）： 22 - 27+62 .

Morni D ， Kasada ， R ， Konishi S ， et al . Underwater explosive welding of tungsten to reduced activati on ferritic steel F82H ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2014 ， 89 ： 1086 - 1090 .

邹贵生，吴爱萍，高守传，等 . Ag-Cu-Ti活性钎料真空钎焊钨、石墨与铜的研究［J］. 新技术新工艺， 2002 （ 06 ）： 40 - 42 .

ZOU G S ， WU A P ， GAO S C ， et al . Study on Vacuum Brazing of Tungsten， Graphite， and Copper with Ag-Cu-Ti Active Brazing Filler ［J］. Journal of New Technology and New Processes ， 2002 （ 06 ）： 40 - 42 .

Ma Y Z ， Cai Q S ， Liu W S ， et al . Microstructure and mechanical properties of brazed tungsten/steel joint for divertor applications ［C］// Materials Science Forum . Trans Tech Publications Ltd ， 2014 ， 789 ： 384 - 390 .

Bachurina D ， Suchkov A ， Filimonov A ， et al . High-temperature brazing of tungsten with steel by Cu-based ribbon brazing alloys for DEMO ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2019 ， 146 ： 1343 - 1346 .

汪从喜 . 铜基钎料钎焊W-Cu复合材料与不锈钢的连接机理研究［D］. 江苏：江苏科技大学， 2015 .

WANG C X . Study on Connection Mechanism of Copper-Based Brazing Filler for Joining W-Cu Composite Material and Stainless Steel ［D］. Jiangsu ： Jiangsu University of Science and Technology ， 2015 .

于皓 . 钨/CuCrZr合金连接用铜基钎料研究［D］. 辽宁：大连理工大学， 2015 .

YU H . Study on Copper-Based Brazing Filler for Joining Tungsten/CuCrZr Alloy ［D］. Liaoning ： Dalian University of Technology ， 2015 .

于皓，王建豹，王英敏，等 . 钎焊温度对Cu基非晶钎料钎焊W/CuCrZr合金接头的性能影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2016 ， 45 （ 11 ）： 2981 - 2986 .

YU H ， WANG J B ， WANG Y M ， et al . The Influence of Brazing Temperature on the Performance of Cu-Based Amorphous Brazing Filler for Brazing W/CuCrZr Alloy Joints ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2016 ， 45 （ 11 ）： 2981 - 2986 .

郭双全 . 面向等离子体材料钨与热沉材料的连接技术［D］. 四川：西南交通大学， 2011 .

GUO S Q . Connection Technology for Plasma-Facing Material Tungsten and Heat Sink Material ［D］. Sichuan ： Southwest Jiaotong University ， 2011 .

邹贵生，赵文庆，吴爱萍，等 . Ti和Ti/Ni/Ti连接钨与铜及其合金的界面结合机制与接头强度［J］. 航空材料学报， 2004 （ 03 ）： 36 - 42 .

ZOU G S ， ZHAO W Q ， WU A P ， et al . Interface Bonding Mechanism and Joint Strength of Ti and Ti/Ni/Ti Joining Tungsten with Copper and its Alloys ［J］. Journal of Aeronautical Materials ， 2004 （ 03 ）： 36 - 42 .

邹贵生，杨俊，吴爱萍，等 . Ti和Ti/Ni/Ti复合层连接钨与铜及其合金的界面结合与断裂［C］// 2002年中国材料研讨会论文集， 2002 ： 484 - 490 .

张洁 . 互不固溶钨－铜金属的复合连接方法及机制的研究［D］. 天津：天津大学， 2018 .

ZHANG J . Study on Composite Connection Method and Mechanism of Non-Fusible Tungsten-Copper Metals ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2018 .

李军，杨建锋，乔冠军 . 连接温度对Ti为中间层钨/铜合金扩散接头组织和强度的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2012 ， 41 （ 07 ）： 1235 - 1238 .

LI J ， YANG ， J F ， QIAO G J . The Influence of Joining Temperature on Microstructure and Strength of Diffusion Bonded Joints with Ti Interlayer in Tungsten/Copper Alloy ［J］. Journal of Rare Metal Materials and Engineering ， 2012 ， 41 （ 07 ）： 1235 - 1238 .

Zhong Z ， Hinoki T ， Kohyama A . Effect of holding time on the microstructure and strength of tungsten/ferritic steel joints diffusion bonded with a nickel interlayer ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2009 ， 518 （ 1-2 ）： 167 - 173 .

Saito S ， Fukaya K ， Ishiyama S ， et al . Mechanical properties of HIP bonded W and Cu-alloys joint for plasma facing components ［J］. Journal of nuclear materials ， 2002 ， 307 ： 1542 - 1546 .

代野，李忠盛，戴明辉，等 . 钨铜合金与铜扩散连接界面结构及性能研究［J］. 兵器装备工程学报， 2020 ， 41 （ 10 ）： 170 - 173 .

DAI Y ， LI Z S ， DAI M H ， et al . Study on Interface Structure and Performance of Diffusion Bonding between Tungsten-Copper Alloy and Copper ［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering ， 2020 ， 41 （ 10 ）： 170 - 173 .

Huang Y ， Zha Y ， Zhou X ， et al . Evolution of interfacial structure of the joints between a tungsten-copper composite and austenitic stainless steel ［J］. Materials Research Express ， 2021 ， 8 （ 1 ）： 016514 .

沈以赴，刘仕福，李军伟，等 . W与Cu合金瞬时液相连接分析［J］. 焊接学报， 2005 （ 12 ）： 73-76+126 - 127 .

SHEN Y F ， LIU S F ， LI J W ， et al . Analysis of Transient Liquid Phase Bonding between W and Cu Alloys ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2005 （ 12 ）： 73-76+126 - 127 .

方乃文，王星星，徐锴，等 . 保护气体对低镍不锈钢激光电弧复合焊电弧特性及组织性能影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2022 ， 51 （ 08 ）： 3089 - 3094 .

FANG N W ， WANG X X ， XU K ， et al . Effect of Shielding Gas on Arc Characteristics and Microstructure and Properties of Laser-Arc Hybrid Welding of Low Nickel Stainless Steel ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2022 ， 51 （ 08 ）： 3089 - 3094 .

方乃文，黄瑞生，闫德俊，等 . 低镍含氮奥氏体不锈钢激光-电弧焊电弧特性及组织性能［J］. 焊接学报， 2021 ， 42 （ 01 ）： 70 - 75， 102 .

FANG N W ， HUANG R S ， YAN D J ， et al . Effect of welding heatinput on microstructure and properties of MAG welded joint for low nickel high nitrogen austenitic stainless steel ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2021 ， 42 （ 01 ）： 70 - 75，102 .

Ramachandran S ， Lakshminarayanan A K . An insight into microstructural heterogeneities formation between weld subregions of laser welded copper to stainless steel joints ［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2020 ， 30 （ 3 ）： 727 - 745 .

黄学浩 . 钢—铜异种金属激光焊接工艺研究［D］. 黑龙江：哈尔滨工业大学， 2021 .

WANG X H . Study on Laser Welding Process of Steel-Copper Dissimilar Metals ［D］. Heilongjiang ： Harbin Institute of Technology ， 2021 .