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chensijie鐵桿木蟲 (著名寫手)
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【原創(chuàng)】瞬時(shí)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(shí)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(shí)液相擴(kuò)散焊簡(jiǎn)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(shí)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(shí)接頭質(zhì)量較穩(wěn)定。 (2)零部件變形小 因擴(kuò)散焊時(shí)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(gè)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(shí)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(duì)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(shí)會(huì)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(gè)工序中制造出剛度大、重量輕的整體鈦結(jié)構(gòu)件。 瞬時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，缺乏合適的釬料，就直接把這兩種材料簡(jiǎn)單的對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)連接強(qiáng)度的影響是通過對(duì)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(duì)Si3N4/Ti/Cu/Ni二次PTLP連接界面反應(yīng)層厚度無明顯影響，其對(duì)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(duì)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(shí)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(zhǎng)擴(kuò)散焊保溫時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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 ] |
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9樓2009-08-13 18:07:47
hui_jun_li
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2樓2009-08-05 16:38:54
chensijie
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你的表揚(yáng)將成為我前進(jìn)的動(dòng)力，盡力而為啊。 有關(guān)TLP擴(kuò)散連接的理論和應(yīng)用價(jià)值都很大。 加強(qiáng)合作與交流更好。 近年來本人對(duì)電站耐熱鋼管瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接過程動(dòng)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(shí)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(shí)液相擴(kuò)散連接試驗(yàn)，研究了開放環(huán)境下瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接的強(qiáng)化機(jī)理。提出了瞬時(shí)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(shí)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(shí)加熱一定時(shí)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(shí)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(cè)定了連接界面附近元素分布，使用x-射線能譜儀測(cè)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(duì)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 ] |
3樓2009-08-05 16:40:30
chensijie
鐵桿木蟲 (著名寫手)
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xucz(金幣+2,VIP+0):謝謝，繼續(xù)期待。 8-6 08:01
caocao4735(金幣+0,VIP+0):專家顧問 赫赫 希望能夠更加全面的介紹哦 赫赫 感謝你的加盟 8-7 13:02
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瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接(TLP)工藝，由于其具有連接溫度、壓力相對(duì)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(duì)耐熱鋼瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接界面形態(tài)和降熔元素?cái)U(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(shí)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(jià)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(duì)象為奧氏體不銹鋼(簡(jiǎn)稱A)與鐵素體型(簡(jiǎn)稱F)耐熱鋼，馬氏體耐熱鋼(簡(jiǎn)稱M)與貝氏體耐熱鋼(簡(jiǎn)稱B)等，如果能對(duì)異種耐熱鋼的瞬時(shí)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(huì)對(duì)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(shí)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(shí)液相擴(kuò)散連接工藝參數(shù)（加熱溫度、等溫時(shí)間、連接壓力、中間層成分等）對(duì)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(shí)液相擴(kuò)散連接的顯微組織和降熔元素?cái)U(kuò)散與相變的特點(diǎn)，探索耐熱鋼瞬時(shí)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。 |
4樓2009-08-06 07:20:06
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