本发明属于异种材料连接，具体涉及一种实现钨和钢直接连接的工艺方法。
背景技术：
1、聚变堆依靠氘氚反应实现放电，其中氘可以从海水中提取，而氚目前只能依靠裂变堆制取，且氚半衰期短，制备、运输和储存成本高。因此，未来聚变堆需要实现氚的自循环，即实现氚自持。氚可以通过中子与富锂材料反应制取，因此，通过设计一定的部件，使其包含富锂材料，即可与氘氚聚变中子反应产氚。进而通过对氚收集和提取，实现氚的自持。这其中承载富锂材料，实现产氚功能的部件即为增殖包层，除了产氚以外，增殖包层由于直接面向等离子体，所以还肩负着移除核热和屏蔽辐射等功能。在热和粒子侵蚀共同作用下，包层部件的性能要求往往较高。尤其是由面向等离子体材料钨和结构材料铁素体/马氏体钢（rafm）构成的第一壁更是如此。由于包层特殊的功能性需求，需要将钨以冶金结合的方式与钢实现连接，从而提高换热能力和抗辐照及粒子侵蚀能力。但是钨和钢属于异种材料，二者之间的热物性差异较大，例如钨的熔点3400℃，而钢熔点为1500℃，钨的热膨胀系数为4×10-6 /k，而钢的热膨胀系数为12×10-6 /k。钨和钢在高温焊接时，也容易生成fe,w的脆性金属间化合物。因此目前钨和钢连接存在的困难集中在两个方面，一是如何降低钨和钢因热膨胀系数差异导致的焊接残余应力。二是如何避免或者减少钨和钢之间形成脆性金属间化合物。采用过渡层金属间接实现钨和钢连接是目前研究较多的内容，但是过渡层金属需要考虑聚变堆材料的一些特殊需求，例如抗氢脆性能、低活化性能、抗中子辐照等。纯金属很难同时满足焊接性的同时满足聚变堆材料要求，例如钛，钒，钽等金属都可以实现钨和钢的良好结合，同时这些材料低活化，但是氢脆敏感性高。而镍元素虽然跟钢和钨都能实现良好冶金结合，但是镍属于高放射性元素，在聚变堆中是不希望使用的。钨和钢梯度过渡层是一种有潜力的钨和钢过渡层材料。这种材料不添加除钨和钢以外的金属，并且实现了应力的梯度过渡。但是钨钢梯度过渡层的制备工艺复杂。为此，这里我们提出了一种在钨和钢界面自行成铁素体过渡层的直接连接方法，该方法的思路是让钢表面形成一层铁素体层，利用铁素体较软的特性充当缓释应力层，从而实现钨和钢的直接连接。为了达到这个技术目的，需要考虑铁素体相如何形成，主要包含两类方法，第一类即在钨和钢焊接之前，对钢的待焊接表面进行铁素体化处理，例如脱碳，沉积铁素体形成元素并固溶处理。铁素体形成后在与钨进行固相扩散连接。第二类即利用促进铁素体形成的钎料在钎焊过程中实现铁素体的形成和钨钢的直接连接。第二类方法目前已经开展了预实验，得到了证实，可以实现钨和钢的紧密连接。
2、该方法的实现将为钨和钢连接提供一种可供借鉴的新思路和技术路线，并应用到工程化实践中，是一种非常有工程应用价值的技术方法。
技术实现思路
1、本发明是为解决钨和钢连接的问题，通过在钢表面少量添加铁素体形成元素，促进钨和钢在界面处自行成缓释应力的过渡层，或者直接利用铁素体形成钎料在焊接时实现缓释应力过渡层形成。相比于添加过渡层的间接连接方法，这种方法的有益之处非常明显，减少了除钨和钢以外替他元素的引入。同时，铁素体形成元素的引入在一定程度上抑制了脆性金属间化合物的形成。是一种有较大应用前景的适用于聚变堆钨和钢连接的方法。
2、本发明是通过以下技术方案实现的：
3、一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，包括如下工艺步骤：
4、步骤1、采用机加工方法制备所需的钨和钢材料，并将这些材料表面磨抛，清洗后真空封装待用。
5、步骤2、采用以下两种方式其中之一实现钨和钢的直接连接。一、通过预先处理在钢表面形成铁素体层后与钨进行扩散焊接。二、采用促进铁素体形成元素钎料利用钎焊实现钨和钢的直接连接。
6、步骤3、进行焊后热处理以恢复钢的性能。
7、在上述技术方案中，所述的钢为低活化铁素体/马氏体（rafm）钢或其他低活化钢。
8、在上述技术方案中，在步骤2中，所述的预先处理方法包括表面脱碳、磁控溅射、电镀或其他薄膜沉积方法。其中表面脱碳可采用空气脱碳、盐浴脱碳、气体脱碳或其他脱碳方法。脱碳后可立即形成铁素体层。磁控溅射制备薄膜以后，需要将薄膜进行真空退火处理，使薄膜固溶于钢基体内形成铁素体。形成的铁素体层的厚度＜100μm。
9、在上述技术方案中，在步骤2中，所述的预先处理方法预沉积薄膜材料为铁素体形成元素，如铬、钒、铜、锗等元素。真空退火时真空度要大于1×10-2pa，退火温度通常为沉积元素熔点的0.6-0.95倍，退火时间与薄膜的材料，厚度和需要的铁素体厚度有关，约为1-10h。
10、在上述技术方案中，在步骤2中，所述的扩散焊接，包括热等静压扩散焊，真空热压扩散焊或放电等离子体烧结等固相扩散焊接技术。通过控制焊接温度、保温时间和加压压力优化钨和钢的焊接工艺。焊接温度通常为钢熔点的0.6-0.8倍，保温时间为1-6h，压力为10-200mpa。
11、在上述技术方案中，在步骤2中，所述的促进铁素体形成钎料包括纯铜，纯锗及其合金如锗铜合金，所述的钎焊采用真空钎焊，焊接温度通常是高于钎料液相线温度30-50℃，焊接时间为0.03-6h。
12、在上述技术方案中，在步骤3中，焊后热处理是为了恢复钢性能，对于rafm钢，若焊接温度高于850℃，需进行正火1050℃和回火750±10℃处理。若焊接温度低于850℃，需进行回火处理。保温时间与壁厚相关，通常时间1-2h。
13、本发明的有益效果在于：
14、本发明公开了一种实现钨和钢直接连接的工艺方法。现有技术中，间接连接钨和钢不可避免的引入除二者以外的其他元素，因过渡层需同时满足缓释应力、焊接性、氢脆、抗辐照等一系列聚变堆材料的要求，条件极为苛刻，所以目前尚没有完全满足以上要求的过渡层材料，因此，通过少量引入铁素体形成元素，使其完全固溶于钢表面形成缓释应力的过渡层，是一种最大限度降低元素引入，实现钨和钢连接的工艺方法，是一种很有潜力的钨和钢连接方法。
1.一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：所述的钢为低活化铁素体/马氏体钢或其他低活化钢。
3.根据权利要求1所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：所述的预先处理方法包括表面脱碳、磁控溅射、电镀或其他薄膜沉积方法，其中表面脱碳采用空气脱碳、盐浴脱碳或气体脱碳，磁控溅射制备薄膜以后，将薄膜进行真空退火处理，使薄膜固溶于钢基体内形成铁素体，形成的铁素体层的厚度＜100μm。
4.根据权利要求1所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：所述的预先处理方法预沉积薄膜材料为铁素体形成元素，真空退火时真空度大于1×10-2pa, 退火温度为沉积元素熔点的0.6-0.95倍，退火时间为1-10h。
5.根据权利要求1所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：所述的扩散焊接为热等静压扩散焊、真空热压扩散焊或放电等离子体烧结，焊接温度为钢熔点的0.6-0.8倍，保温时间为1-6h，压力为10-200mpa。
6.根据权利要求1所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：所述的促进铁素体形成钎料包括纯铜、纯锗及其合金，所述的钎焊采用真空钎焊，焊接温度高于钎料液相线温度30-50℃，焊接时间为0.03-6h。
7.根据权利要求2所述的一种实现钨和钢直接连接的工艺方法，其特征在于：焊后热处理用于恢复钢性能，对于低活化铁素体/马氏体钢，若焊接温度高于850℃，需进行正火1050℃和回火750±10℃处理，若焊接温度低于850℃，需进行回火处理，保温时间为1-2h。
