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chensijie鐵桿木蟲 (著名寫手)
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【原創(chuàng)】瞬時液相擴(kuò)散連接研究及應(yīng)用
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隨著材料科學(xué)的發(fā)展,新材料不斷出現(xiàn),在生產(chǎn)應(yīng)用中,經(jīng)常遇到新材料本身或與其他材料的連接問題。一些新材料,如陶瓷、金屬間化合物、非晶態(tài)材料及單晶合金等,用傳統(tǒng)的熔焊方法,很難實(shí)現(xiàn)可靠的連接。一些特殊的高性能構(gòu)件的制造,往往要求把性能差別較大的異種材料,如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃連接在一起,這用傳統(tǒng)的熔焊方法也難以實(shí)現(xiàn)。為了適應(yīng)這種要求,近年來作為固相連接的方法之一擴(kuò)散焊技術(shù)引起了人們的重視,成為連接領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn),正在飛速發(fā)展。這種技術(shù)廣泛用于航天、航空、儀表及電子等國防部門,并逐步擴(kuò)展到機(jī)械、化工及汽車制造等領(lǐng)域。 擴(kuò)散連接是指相互接觸的表面,在高溫和壓力的作用下,被連接表面相互靠近,局部發(fā)生塑性變形,經(jīng)一定時間后結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散,而形成整體的可靠連接的工藝過程 。按被焊金屬的組合或加壓方式,擴(kuò)散焊可分為如下幾類:同種材料擴(kuò)散焊,異種材料擴(kuò)散焊,加中間層擴(kuò)散焊,共晶反應(yīng)擴(kuò)散焊,瞬間液相擴(kuò)散焊,熱等靜壓擴(kuò)散焊和超塑成形擴(kuò)散焊等。 瞬時液相擴(kuò)散焊簡稱TLP連接(Transient liquid phase bonding process),或稱過渡液相擴(kuò)散連接,是一種具有釬焊和擴(kuò)散焊優(yōu)點(diǎn)的工藝,由D.S.Duvall等人于1974年首次匯總了它的應(yīng)用并用相圖解釋了其金屬學(xué)原理。 TLP方法能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的、無界面的、無中間層殘留的焊接接頭。與傳統(tǒng)的焊接相比,瞬時液相擴(kuò)散連接主要有以下優(yōu)點(diǎn): (1)接頭質(zhì)量好 擴(kuò)散焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同,在焊縫中不存在各種熔化焊缺陷,也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)。擴(kuò)散焊主要工藝參數(shù)易于控制,故在批量生產(chǎn)時接頭質(zhì)量較穩(wěn)定。 (2)零部件變形小 因擴(kuò)散焊時所加壓力較低,工件多數(shù)是整體加熱,隨爐冷卻,故零部件整體塑性變形很小,焊后工件一般不進(jìn)行機(jī)加工。 (3)可一次焊接多個接頭 因而擴(kuò)散焊可作為部件的最后組裝連接工藝。 (4)可焊接大斷面接頭 由于焊接壓力較低,在大斷面接頭焊接時所需設(shè)備的噸位不高,易于實(shí)現(xiàn)。 (5)可焊接其他焊接方法難于焊接的材料 對與塑性差或熔點(diǎn)高的同種材料,或?qū)τ谙嗷ゲ蝗芙饣蛟谌酆笗r會產(chǎn)生脆性金屬間化合物的那些異種材料,包括某些金屬與陶瓷,擴(kuò)散焊是唯一可靠的連接方法。 (6)與其他熱加工、熱處理工藝結(jié)合可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益 例如,將鈦合金的擴(kuò)散焊與超塑成形技術(shù)結(jié)合,可以在一個工序中制造出剛度大、重量輕的整體鈦結(jié)構(gòu)件。 瞬時液相擴(kuò)散焊技術(shù)省卻了傳統(tǒng)的焊條、焊絲等焊接材料,焊接速度更快、耗能更少。目前,TLP焊接已成為各種先進(jìn)材料,如先進(jìn)陶瓷、復(fù)合材料、各種耐熱/耐蝕超合金、單晶合金的首選焊接方法,同時TLP焊接工藝也在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料,如碳鋼、合金鋼等方面的應(yīng)用潛力同樣也十分巨大。 20世紀(jì)五十年代,Tiner發(fā)現(xiàn)在Ag釬焊過程中,經(jīng)過高溫保溫,可以獲得成分和母材接近的接頭。Lynch等人用一種合金做中間層連接Ti時也發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。1961年Owczarski首先提出了類似于TLP擴(kuò)散連接的概念。在連接Zr合金和304不銹鋼兩種材料時,缺乏合適的釬料,就直接把這兩種材料簡單的對接在一起,通過控制共晶反應(yīng),F(xiàn)e、Cr、Ni和Zr在980℃形成四元低熔點(diǎn)共晶系統(tǒng),形成的接頭具有較高的強(qiáng)度和較好的抗蝕性。但由于形成了金屬間化合物,所以韌性較差。 1970年Hoppin和Berry在連接鎳基耐熱合金時提出了活性擴(kuò)散連接的概念,這是在TLP擴(kuò)散連接過程中最早使用降低熔點(diǎn)元素MPD(Melting point depressant element)概念的文獻(xiàn)。1974年D.S.Duvall首次匯總了TLP擴(kuò)散連接的應(yīng)用,論述了連接原理,提出了瞬時液相擴(kuò)散連接的概念。他用Cu-Ni做中間層擴(kuò)散連接Udimet700材料,連接后形成了無脆性相的接頭,國內(nèi)有的文獻(xiàn)也稱其為過渡液相擴(kuò)散焊或擴(kuò)散釬焊。 目前,TLP擴(kuò)散連接已不僅局限于原先的鎳基超耐熱合金焊接領(lǐng)域,在新材料的制備、連接、修復(fù)等方面潛力也很大,有待于進(jìn)一步挖掘。80年代末期,日本住友公司開始研制管道氣體保護(hù)瞬時液相擴(kuò)散連接設(shè)備,并先后應(yīng)用于輸氣和輸水管道、民用住宅等安裝工程中,獲得了成功。90年代初期,日本三菱公司也開發(fā)了類似的液相擴(kuò)散連接設(shè)備,并擴(kuò)展應(yīng)用到了中高合金耐熱鋼范圍。 美國、英國、加拿大和日本等國在TLP擴(kuò)散連接技術(shù)研究方面作了大量工作,主要研究了瞬時液相擴(kuò)連結(jié)的等溫凝固過程,連接模型與數(shù)值模擬,工藝參數(shù)和中間層對材料連接性能的影響,連接界面結(jié)構(gòu)與性,涉及的材料包括耐熱合金、陶瓷、復(fù)合材料、金屬基化合物材料等。 中國科學(xué)院金屬研究所李文等采用鎳基非晶中間層,研究了DD98單晶高溫合金TLP擴(kuò)散連接,對接頭的結(jié)構(gòu)成分分布及連接區(qū)域與基體之間的位相關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)果表明接頭區(qū)域由連接區(qū)、中間金屬/基體金屬擴(kuò)散區(qū)、基體金屬區(qū)組成。均勻化處理后的接頭與基體的γ′沉淀相的尺寸趨于一致,連接層與基體之間的取相匹配良好。北京航空航天大學(xué)的曲文卿等以Cu為中間層進(jìn)行了SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料與Al合金TLP擴(kuò)散連接工藝試驗(yàn),分析了工藝參數(shù)對連接接頭性能的影響,探討了異種材料TLP連接過程中溶質(zhì)擴(kuò)散的非對稱性。南京理工大學(xué)和江蘇科技大學(xué)陳錚、鄒家生等人采用Ti/Cu/Ni中間層對Si3N4陶瓷進(jìn)行二次PTLP連接,研究了Ti箔厚度、連接工藝參數(shù)對Si3N4/Ti/Cu/Ni連接強(qiáng)度和界面結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:Ti箔厚度對連接強(qiáng)度的影響是通過對反應(yīng)層厚度的影響體現(xiàn)的;改變二次連接工藝參數(shù)對Si3N4/Ti/Cu/Ni二次PTLP連接界面反應(yīng)層厚度無明顯影響,其對室溫強(qiáng)度的影響是由于連接接頭殘余應(yīng)力的變化所導(dǎo)致的;Si3N4/Ti/Cu/Ni二次PTLP連接界面微觀結(jié)構(gòu)為Si3N4/反應(yīng)層/Cu-Ni固溶體層(少量的Cu-Ni-N)/Ni。北京航空材料研究院的李曉紅和毛唯等對國內(nèi)自行研制的第二代單晶合金DD6的過渡液相擴(kuò)散焊(TLP擴(kuò)散焊)工藝進(jìn)行了研究。所采用中間層合金的主要成分與DD6母材基本一致,同時加入一定量的B作為降熔元素。試驗(yàn)結(jié)果表明,很難獲得微觀組織與DD6母材完全一致的TLP擴(kuò)散焊接頭,1290℃/12h規(guī)范擴(kuò)散焊接頭的連接界面,約一半?yún)^(qū)域?yàn)榕cDD6母材類似的γ +γ′組織,其它區(qū)域則為γ固溶體基體上分布著不同形態(tài)的硼化物,其980℃的持久性能接近母材性能指標(biāo)的90%。延長擴(kuò)散焊保溫時間至24h,連接界面上的不均勻區(qū)域減少,其980℃及1100℃的持久性能分別達(dá)母材性能指標(biāo)的90%~100%和70%~80%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閻久春等人對Al2O3p/6061Al復(fù)合材料的TLP擴(kuò)散連接進(jìn)行了研究,吉林大學(xué)孫大謙等進(jìn)行了用鋁作中間層的鎂合金的瞬時液相擴(kuò)散連接,分析了接頭的成分、組織和性能,為鎂合金的瞬時液相擴(kuò)散連接打下了一定基礎(chǔ)。與國外相比,國內(nèi)有關(guān)瞬時液相擴(kuò)散連接技術(shù)的研究和應(yīng)用要落后很多。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-6 at 07:15 ] |
工作 |
鐵桿木蟲 (著名寫手)
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你的表揚(yáng)將成為我前進(jìn)的動力,盡力而為啊。 有關(guān)TLP擴(kuò)散連接的理論和應(yīng)用價值都很大。 加強(qiáng)合作與交流更好。 近年來本人對電站耐熱鋼管瞬時液相擴(kuò)散連接過程動力學(xué)、連接工藝模型進(jìn)行了理論研究。試驗(yàn)采用電磁感應(yīng)加熱,氬氣保護(hù),用非晶箔合金做瞬時液相擴(kuò)散連接中間層,根據(jù)工程背景需要完成了電站鍋爐常用的T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐熱鋼的瞬時液相擴(kuò)散連接試驗(yàn),研究了開放環(huán)境下瞬時液相擴(kuò)散連接的強(qiáng)化機(jī)理。提出了瞬時液相擴(kuò)散連接雙溫工藝?yán)碚撃P,該模型連接的接頭組織性能和母材十分接近。傳統(tǒng)的瞬時液相擴(kuò)散連接工藝是在恒定的溫度下進(jìn)行等溫凝固,雙溫工藝先在較高的溫度下短時加熱一定時間,然后降到一定溫度進(jìn)行等溫凝固,在液固界面形成成分過冷,接頭結(jié)合更好;不像傳統(tǒng)工藝連接的接頭有一條平直的連接線,提高了接頭的性能。試驗(yàn)表明瞬時液相擴(kuò)散連接雙溫工藝消除了傳統(tǒng)擴(kuò)散連接工藝平直的連接界面,利用電子探針(EPMA)測定了連接界面附近元素分布,使用x-射線能譜儀測定了連接界面的成分分布,用透射電子顯微鏡分析了接頭區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征。研究了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐熱鋼的結(jié)合組織和性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,中間層基體的類別、降熔元素的含量與擴(kuò)散能力對擴(kuò)散連接接頭質(zhì)量有很大影響。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-6 at 07:18 ] |
鐵桿木蟲 (著名寫手)
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瞬時液相擴(kuò)散連接(TLP)工藝,由于其具有連接溫度、壓力相對較低,接頭組織均勻,且更易消除界面氧化膜等優(yōu)點(diǎn)受到人們的普遍關(guān)注。傳統(tǒng)的TLP擴(kuò)散連接多在真空條件下完成,實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制。一般認(rèn)為,經(jīng)等溫度凝固或均勻化后接頭具有更高的力學(xué)性能,但接頭性能一般不夠穩(wěn)定,這主要與形成平滑的連接界面及氧化物等雜質(zhì)在界面的偏聚有關(guān)。對耐熱鋼瞬時液相擴(kuò)散連接界面形態(tài)和降熔元素擴(kuò)散過程的研究,不僅可豐富材料連接理論,而且可促進(jìn)瞬時液相擴(kuò)散連接方法在現(xiàn)代電站材料焊接領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,具有重要的學(xué)術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景。 在超(超)臨界電站機(jī)組材料焊接中,異種材料的連結(jié)接頭量很大。異種耐熱鋼焊接的主要對象為奧氏體不銹鋼(簡稱A)與鐵素體型(簡稱F)耐熱鋼,馬氏體耐熱鋼(簡稱M)與貝氏體耐熱鋼(簡稱B)等,如果能對異種耐熱鋼的瞬時液相擴(kuò)散連接的工藝和中間層進(jìn)行研究,獲得界面結(jié)合強(qiáng)度高,界面成分分布均勻的焊接接頭,充分挖掘材料使用潛力,將會對超臨界機(jī)組技術(shù)的發(fā)展和耐熱鋼的焊接起到很大的促進(jìn)作用。 隨著電站新型耐熱材料的開發(fā),材料中合金元素種類增多,用普通的熔化焊接方法焊接的接頭,由于其中材料合金元素含量以及材料熱物理性能和化學(xué)性能的的不同,接頭處易形成脆性相和焊接應(yīng)力,降低接頭的強(qiáng)韌性。本課題的研究目的是采用瞬時液相擴(kuò)散連接技術(shù),運(yùn)用金屬凝固理論,通過研究瞬時液相擴(kuò)散連接工藝參數(shù)(加熱溫度、等溫時間、連接壓力、中間層成分等)對耐熱鋼同種和異種材料連接的微觀結(jié)構(gòu)和接頭力學(xué)性能的影響,得到結(jié)合性能優(yōu)良的接頭。進(jìn)一步研究耐熱鋼瞬時液相擴(kuò)散連接的顯微組織和降熔元素擴(kuò)散與相變的特點(diǎn),探索耐熱鋼瞬時液相擴(kuò)散連接接頭形成規(guī)律,以指導(dǎo)電站耐熱鋼的焊接工藝,優(yōu)化接頭性能。 |
鐵桿木蟲 (著名寫手)
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電站耐熱鋼瞬時液相擴(kuò)散是目前很有應(yīng)用前景的課題。 現(xiàn)代火電機(jī)組正在向著高參數(shù)大容量方向發(fā)展,蒸汽溫度和壓力進(jìn)一步提高,新開發(fā)的一些新型耐熱鋼合金元素含量較以前的鍋爐用鋼更高,焊接性能相比之下有所下降,耐熱材料的研制與相應(yīng)焊接工藝的開發(fā)成為材料科學(xué)面臨的重要課題。耐熱鋼是電站鍋爐常用的耐熱材料,目前主要采用氬弧焊進(jìn)行連接,氬弧焊的主要問題是對工人技能水平要求高,需要開坡口,熱影響區(qū)容易產(chǎn)生焊接裂紋。瞬時液相擴(kuò)散連接界面質(zhì)量高,接頭成分和母材相似,強(qiáng)度高,沒有明顯的界面和焊接殘留物,很適合電站鍋爐耐熱鋼管的連接。 金屬瞬時液相擴(kuò)散連接時,中間層液體等溫凝固過程對接頭組織性能有決定性影響。在液體合金凝固過程中,通過金屬凝固理論和技術(shù),研究控制液固界面的形狀和推進(jìn)方式是改善接頭性能的理論基礎(chǔ)?刂扑矔r液相擴(kuò)散連接液態(tài)中間層的結(jié)晶過程,可以改善中間層液體等溫凝固后接頭的界面形態(tài),提高接頭力學(xué)性能。如果中間層液體沒有經(jīng)過等溫凝固就快速冷卻下來,其中的降熔元素就來不及向母材擴(kuò)散,降熔元素集中于接頭,會形成類似釬焊的共晶組織,顯著降低接頭的強(qiáng)度和韌性。因此,瞬時液相擴(kuò)散連接必須保證等溫凝固過程充分進(jìn)行,使降熔元素有可能擴(kuò)散均勻。降熔元素向母材不斷擴(kuò)散,等溫凝固不斷進(jìn)行,直到等溫凝固過程完成。接頭區(qū)域的組織性能與等溫凝固過程中降熔元素原子的擴(kuò)散有密切關(guān)系,所以,有必要研究瞬時液相擴(kuò)散連接中間層等溫凝固過程的微觀機(jī)制并進(jìn)行控制。 宏觀上具有一定強(qiáng)度以及韌性的固體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。固態(tài)下的金屬中,如果用較高倍數(shù)的顯微鏡觀察,多數(shù)的晶粒中都能看到樹枝狀的顯微組織。也就是說金屬凝固時,很多情況下不是保持平直的固-液界面形態(tài),而是以復(fù)雜的界面完成凝固的。1953年,哈佛大學(xué)教授Chalmers等人通過對金屬凝固中液固界面形態(tài)的研究提出了界面穩(wěn)定性的概念和成分過冷理論,首次提出單相二元合金成分過冷理論,即在合金凝固過程中,由于固液相的溶質(zhì)分配系數(shù)不同,固-液界面前沿發(fā)生溶質(zhì)的富集或貧化,導(dǎo)致合金實(shí)際凝固溫度的降低,這種由于溶質(zhì)成分變化引起的成分過冷,對合金凝固界面前沿的形態(tài)變化起著至關(guān)重要的作用。成分過冷對一般單相合金凝固過程的影響與熱過冷對純金屬凝固過程的影響本質(zhì)上是相同的。但同時存在著傳質(zhì)過程的制約,因此情況更為復(fù)雜。在無成分過冷和負(fù)溫度梯度的情況下,合金與純金屬一樣,界面為平界面形態(tài)。在正的溫度梯度時,晶體的生長方式產(chǎn)生多樣性,即當(dāng)稍有成分過冷時為胞狀生長,隨著成分過冷的增大,晶體由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹А⒅鶢钪Ш妥杂蓸渲?等軸枝晶)。在晶體生長過程中,當(dāng)不存在成分過冷時,在平直的固-液界面上,由于不穩(wěn)定因素擾動產(chǎn)生凸起,也會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平直界面;而當(dāng)界面前沿存在成分過冷時,界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會因?yàn)樘幱诔煞诌^冷區(qū)而發(fā)展,平界面失穩(wěn),導(dǎo)致樹枝晶的形成。在瞬時液相擴(kuò)散連接過程中,中間層的熔化和凝固過程的基本理論和常規(guī)的鑄件成型理論相似,只不過瞬時液相擴(kuò)散擴(kuò)散連接凝固過程主要受降熔元素擴(kuò)散控制,加熱溫度的調(diào)節(jié)也會影響影響降熔元素原子的擴(kuò)散和界面的形態(tài)。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-11 at 20:07 ] |
鐵桿木蟲 (著名寫手)
鐵桿木蟲 (著名寫手)
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