锆合金钎焊用钎料：选择与应用

与钛和钛合金相比，为锆和锆合金钎焊开发的钎料研究工作开展较少，迄今已完成的多数研究工作均被政府保密。许多市售的钎料在锆基合金上不能良好润湿和铺展，它们在冶金上互不相容。此外，许多这样的钎料不具备在核反应堆环境下所需的耐蚀性能。

用于锆的钎料，其研制工作一直是针对核动力反应堆锆合金管，暴露于高温压力水的要求条件而进行的，要求生产优质的耐蚀接头。Amato等人曾用30种商品型和实验型钎料在干燥的氦或氩气氛保护下感应钎焊了零间隙的锆-2合金单面搭接接头。钎焊后，每种接头均在360℃的增压水中接受1450h的长时考核。另外钎焊了一些0.08mm装配间隙的接头，并在360℃的水中接受耐蚀性考核。这些研究和钎焊接头金相分析中所得的数据表明，下列钎料最接近于满足使用要求：Zr-5Be、Ni-6P、Ni-20Pd-10Si、Ni-13Cr-3Ge、Cu-20Pd-3In^[50]。在高真空下，用Ti-48Zr-4Be钎料钎焊的接头在压力达21MPa和温度为316℃的水中也显示了优良的耐蚀性能。

Beal等人为发展水冷反应堆锆合金的改进型钎料，后来又进行补充研究工作^[51]。在该项工作中，通过电弧熔炼共配制了150种锆基和非锆基（铁、钴、铬、镍、锗、钯、金、钽、铜基）钎料，并通过润湿性试验和在高温316℃增压水内的耐蚀性试验对它们进行了筛选。用适当的钎料制成锆合金双管接头，并在温度为315℃，压力为14.5MPa，流速为（6±1.5）m/s，两种成分不同的高压溶液环形试验回路内对其进行了考核。

1）pH值可控的LiOH高压溶液：硼1600×10^-6；锂（10～15）×10^-6；氯小于0.1×10^-6；氧小于0.05×10^-6；pH值7.0±0.2；电阻率25～200Ω·m。

2）pH值可控的NH₄OH高压溶液：硼（1070±100）×10^-6；氨小于10×10^-6；氯小于0.1×10^-6；氧小于0.05×10^-6；pH值5～6.5；电阻率750～5000Ω·m。

经1～4个月的长时腐蚀试验后，分别于室温和316℃下测定其钎焊接头的拉伸性能。结果表明：Zr-50Ag、Zr-29Mn和Zr-24Sn三种钎料不仅具有满意的钎焊性，而且其钎焊接头具有良好的耐蚀性和抗拉强度；Zr-5Be、Zr-12Fe、Zr-21Mn、Pt-3Si、Pt-4.2Si、Zr-12.5Cu-2.5Be和Zr-12.5Cu-4Be钎料虽然耐蚀性能也比较好，但其钎焊接头强度低且波动范围大，或钎焊性差。上述各种钎料钎焊的锆-2接头在不同条件下的力学性能见表9-11。

表9-11 不同条件下锆-2钎焊接头的力学性能Table 9-11 Mechanical properties of brazed Zr-2 tube joints under variant conditions

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注：1.（n）表示接头强度值为n个试样的平均值。

2.所有试样均是在真空炉中钎焊，真空度为10^-4～10^-3Pa。

① 接头间隙为0.08mm，其余均为0间隙。

目前，Zr-5Be钎料已广泛用于锆基合金与锆基合金、锆基合金与不锈钢等其他金属的钎焊。例如，曾以Zr-5Be钎焊锆的薄板，采用的钎焊规范为：1004℃×10min+799℃×4～6h。同时由于Zr-5Be钎料具有润湿陶瓷表面的能力，已用它钎焊了锆与氧化铀和氧化铍^[9]。

参考文献[52]中采用非晶态的STEMET1410（Zr-Fe-Be-Cu-Nb-Sn-Cr合金）作为钎料，在800℃×2min工艺规范下对VVER-440反应堆用的E110锆合金栅格组件（见图9-14）进行钎焊连接。结果表明，接头具有较高的抗拉强度，而且接头在350℃×16.5MPa的水蒸气条件下耐蚀性能满足了6000h长时间的要求。

图9-14 E110锆合金栅格单元及整体组件 1—非晶态箔带钎料 2—钎焊位置 Fig.9-14 E110 zirconium grid cell and assembly