扩散焊的原理及应用--乐雄--153112113--材料工程

扩散焊的原理及应用姓名：乐雄学号：153112113专业：材料工程摘要：简介扩散焊的原理、分类及特点，从扩散焊加热温度、压力及保温时间等工艺参数和中间层材料选择以及焊后质量检测方面进行了综述，并探讨了扩散焊应用的发展趋势，认为新材料或难焊材料及其构件的扩散焊工艺、中间层的研制和开发、工艺参数的优化、工艺标准和焊后检测验收标准的建立及完善、扩散焊的数值模拟和仿真等方面研究会成为今后研究重点。关键词：扩散焊；瞬时液相扩散焊；真空扩散焊ThetheoryandapplicationofdiffusionbondingAbstract：Thetheory,classificationandcharacteristicsofdiffusionbondingareintroduced.Thetechnologyparameters,intermediatelayermaterialselectionandweldingqualityinspectionaresummarized.Thedevelopmentandimprovementofnewmaterialsorhardmaterials,theoptimizationofprocessparameters,theestablishmentandimprovementofthestandardofwelding,numericalsimulationandSimulationofdiffusionweldingarediscussed.Keywords:diffusionbonding；transientliquidphasediffusionbonding；vacuumdiffusionbonding扩散焊也称扩散连接，是指在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经过较长的时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法[1]。扩散焊是异种金属、耐热合金、复合材料、陶瓷等的主要连接方法，有着广泛的应用前景。扩散焊在导电装置和元件的加工制造、电真空器件制造、机械制造工业以及航空航天等方面都有着广泛的应用。尤其在航空航天方面，航空工业是扩散焊最重要的应用领域。据报道，[2]美国在近十年间，用扩散焊接和超塑性成形扩散焊接组合工艺制造了大量B-1轰炸机的性合金组件，包括重要的翼板、平衡器支座、舱壁、具梁等66种之多，同时还焊接了航天飞机主发动机推进器结构，它由25个扩散焊接零件组成。用这种方法制造飞行器组件可有效地减轻结构重量、节约贵重材料，从而降低生产成本。国外扩散焊技术相对成熟，而国内扩散焊接则起步不久。因此扩散焊有着重要的研究意义，本文主要阐述扩散焊的相关原理及其优点，及介绍重要的扩散焊技术，从工艺参数等方面介绍国内外研究进展，并对今后发展做出了展望。1.扩散焊的原理、分类及特点1.1.扩散焊接头的原理要使金属在不熔化情况下形成良好的焊接接头，就必须使待焊面紧密接触以达到原子引力范围内形成金属键。而材料表面不可能是完全平整和光洁，实际表面还存在氧化膜、污物和表面吸附层，都会影响接触面上金属原子形成金属键，而两母材表面晶体位相也不同，不同材料晶体结构也不同，这些都会影响材料的连接效果。所以有必要对焊接接头进行加压和加热，使表面的氧化膜破裂，表面发生塑性变形和高温蠕变，从而加快两材料的扩散连接。为了方便研究，通常将扩散焊分为以下四个阶段讨论。第一阶段为初始物理接触阶段，表面不平整，只有部分接触点接触，如图1a所示。第二阶段为塑性变形阶段，在外加压力的作用下，通过屈服和蠕变机理是使表面发生塑性变形，而且表面的接触面积逐渐增大，最终达到整个界面的可靠接触，界面未达到紧密接触区域形成界面空洞，如图1b所示。第三阶段为元素扩散与反应阶段，接触面的原子间相互扩散，形成紧密结合，如图1c所示，由于变形引起晶格畸变、位错、空位等缺陷，使界面能量显著增加，原子处于高度激活状态，有利于扩散。第四阶段为体扩散阶段，微孔逐渐消失，如图1d所示，组织成分逐渐均匀化，最后达到晶粒穿过晶界界面生长，原始界面消失。图1.扩散焊的四个阶段示意图当然这四个阶段也不是截然分开的，而是相互交叉进行，经过扩散过程形成可靠连接。1.2.扩散焊的分类及特点按被焊材料的组合形式来分可分为无中间层扩散焊和加中间层扩散焊，按照焊接母材不同，也可分为同种材料扩散焊和异种材料焊接。异种材料焊接在接头处会形成不同于机体的新相，新相的性能决定焊接接头的性能，因此研究元素在接头中的扩散规律并预测新相的生成极其重要。Fick[4]、Bottzmann[3]和Matono[4]等对扩散系数D进行了大量研究。Fick提出第一定律，D不随浓度的变化而变化，即：当扩散系数D随着浓度变化而变化，即扩散体系为非稳态，Bottzmann用分离变量法：在此基础上，Matano用图解法提出了不同浓度下的扩散系数方程：以上式中：J是扩散通量；C是元素浓度；t是保温时间；x是元素扩散距离；D是扩散系数。张蕾[5]等研究氢对TC4钛合金扩散焊加工影响的机理得出氢元素主要通过加速原子扩散、增大再结晶驱动力、促进塑性变形以及蠕变这三方面来改善TC4钛合金扩散焊加工性。按照焊接接头是否出现液相可分为固相扩散焊和液相扩散焊。由于固相扩散焊面临着塑性变形的困难的问题，需要很高的连接温度和实施较大的压力，通常需要较长的时间，而且固相焊接设备复杂，接头形式也有一定的限制，生产效率比较低。而瞬时液相扩散焊则能够弥补其缺点。英国Davids．Duvall[6]等人首次通过相图及金属学原理解释了瞬时液相扩散焊TLP(transientliquidphasediffusionbonding，TLP)。瞬时液相扩散焊是将中间层放置在待连接材料连接表面之间，在加热过程中，由于达到中间层的熔点或者是由于中间层和母材相互扩散形成共晶反应产物而导致形成一种低熔点的液相合金，从而形成一层薄的液相中间层；液体填充了待连接材料表面之间的空间，并且有时还能溶解残留在表面的杂质；随着溶质原子向母材中继续扩散，发生等温凝固；等温凝固结束后，没有残留液相存在的痕迹，形成了和母材成分基本相似的连接接头[7]。由于瞬时液相扩散焊与钎焊一样都有微量的液相作用。但是与钎焊相比，钎焊侧重于对母材的润湿，TLP技术则侧重于降溶元素向母材的扩散，优势在于对母材表面氧化膜有一定的自清理能力，可形成无中间层残留、无界面，微观组织及力学性能与母材相似的接头，可获得重熔温度高于焊接温度的焊接接接头[8]。由于真空技术的发展，真空技术与扩散焊接技术结合形成了真空扩散焊技术。真空扩散焊是在真空、高温和施加一定压力的条件下，被焊材料表面原子经过较长时间相互扩散、相互渗透，最终实现材料永久连接的方法，与熔化焊相比，真空扩散焊具有焊接过程与空气隔绝，焊接变形小甚至无变形、节省材料、耐腐蚀性和母材的相当等优点[9]。另外，由于材料超塑性的发现，人们又发明了一种利用材料的高延展性来加速界面接触过程，形成了超塑性成形扩散焊。由于超塑性材料所具备的超细晶粒，大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔洞和界面消失的过程[1]。超塑性扩散焊可以是两边母材具有超塑性，也可以是添加超塑性中间层材料实现扩散连接。2.扩散焊工艺对扩散焊的影响2.1.加热温度加热温度是扩散焊最重要的焊接参数，在一定的温度范围内，扩散速度随温度的增加而加快，接头强度也相对较高。受焊接件和夹具高温强度、母材成分、表面状态、中间层材料及相变的影响，许多金属材料和合金的加热范围一般为0.6~0.8Tm（k）（Tm为母材的熔点）。何鹏[11]等采用钛为中间层，对TiAl合金与镍基高温合金(GH99)进了扩散连接，研究了扩散连接接头的界面结构和连接温度对界面结构及连接性能的影响，并对连接界面反应层的形成机制进行探讨；结果表明GH99/Ti/TiAl的界面结构为:GH99/(Ni,Cr)ss/富Ti-(Ni,Cr)ss/TiNi/Ti2Ni/α-Ti+Ti2Ni/Ti(Al)ss/TiAl+Ti3Al/TiAl;随着连接温度的升高，各反应层厚度增加，接头的抗剪强度先增加后减小;在连接温度1173K，连接时间30min，连接压力20MPa时，抗剪强度最高为260.7MPa．Ohsasa[12]等人建立了Ni合金的动力学模型，通过差分法进行扩散的计算，得到焊接温度与焊接时间对元素扩散起到的作用。2.2.保温时间保温时间是指焊接件在焊接温度下的保持时间。保温时间太短，扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度，在高温高压下保持时间太长，对扩散焊接头起不到进一步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。保温时间与温度和压力是密切相关的，采用较高的温度和压力就可以缩短焊接时间。从提高生产率的角度讲，保温时间越短越好。林红香[13]等人Zr/Cu/Zr瞬间液相扩散连接Ti(C,N)陶瓷基体试验，重点研究了保温时间对元素扩散及界面反应产物的影响；结果表明：在特定焊接工艺条件下，界面处元素Ti、Al、Zr、Cu发生互扩散，形成以Ti(C,N)/CuZr2+CuZr+ZrO/Cu为主要组织的过渡型界面，接头最高弯曲强度可达320MPa；最优工艺参数为950℃、3MPa下，保温时间15min~30min，此时界面组织均匀致密，可获得力学性能较高的焊接接头。Nishimoto[14]等人采用MBF80非晶态中间层在1250℃/30min和1275℃/25min两种工艺条件下对CMSX-2单晶镍基合金进行TLP连接，焊后固溶时效处理。试验发现，TLP接头在650℃～900℃的高温抗拉强度稍大于CMSX-2基体，且持久强度与母材相近。李晓红[15]等人以本国第一代镍基单晶高温合金DD3为研究对象,采用DIF为中间层合金在1250C保温4,24,36h，得出1250℃/4h扩散焊接头在焊接中心线处断续分布有少量块状γ相和W，Mo，Cr复合碳硼化合物相外,其它部分已获得与母材组织、成分基本一致的y+Y’双相组织,γ沉淀相尺寸约为0.5~1.2um。2.3.压力施加压力的主要作用是使结合面微观突起的部分产生塑性变形，从而达到紧密接触促进界面区的扩散，加速再结晶的过程。较高的压力可产生较大的表层塑性变形，使表层再结晶温度降低，加速晶界迁移。高的压力有利于第四阶段的进行，有利于微孔的收缩和消除，也可减少异种金属的扩散孔洞。焊接压力也不宜过大过大会导致焊件变形，同时对设备的要求过高，从经济的角度考虑应该选择较小的压力。对于瞬时液相扩散焊，压力参数仅仅是让焊接面能良好的接触为目的，若是添加中间层材料能有效的提高扩散速度，可以不施加压力或施加较小的压力。以Ni71CrSi高温钎料作为中间层金属对GH3128镍基高温合金进行焊接试验，通过对强度测试结果的正交分析发现，焊接温度是对接头力学性能其决定性影响的因素，各个因素的常温性能的影响顺序为：焊接温度﹥保温时间﹥焊接压力；各个因素对高温力学性能影响的顺序为：焊接温度﹥焊接压力﹥保温时间[7]。由此可见合理的控制压力参数也是至关重要的。2.4.中间层材料的选择为了降低扩散焊连接温度、保温时间和压力，提高接头性能，促进扩散的进行，扩散焊时常会在待焊材料之间插上中间层，特别是对于异种材料的连接，中间层材料则显得尤为重要。中间层对高温合金的固态扩散焊起着重要的作用，主要体现在促进接合面变形、增加贴合面积、加速扩散、降低连接温度和时间、阻碍有害金属间化合物的形成等方面[16]。为保证焊接质量及焊接实验的顺利进行，中间过渡层的选择主要遵循以下两点：中间层材料的热膨胀系数介于母材之间；中间层金属不与基体金属产生不良的冶金反应，如生成脆性金属间化合物等有害相[8]。北京航空材料研究院的李晓红、毛唯等人[17]对国内自行研制的第二代单晶合金DD6的过渡液相扩散焊工艺进行了研究，所采用中间层合金的主要成分与DD6母材基本一致，同时加入一定量的B作为降熔元素，采用1290℃／12h规范扩散焊接头的连接界面，约一半区域为与DD6母材类