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【原创】瞬时液相扩散连接研究及应用
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随着材料科学的发展，新材料不断出现，在生产应用中，经常遇到新材料本身或与其他材料的连接问题。一些新材料，如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金等，用传统的熔焊方法，很难实现可靠的连接。一些特殊的高性能构件的制造，往往要求把性能差别较大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、金属与玻璃连接在一起，这用传统的熔焊方法也难以实现。为了适应这种要求，近年来作为固相连接的方法之一扩散焊技术引起了人们的重视，成为连接领域新的研究热点，正在飞速发展。这种技术广泛用于航天、航空、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。 扩散连接是指相互接触的表面，在高温和压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散，而形成整体的可靠连接的工艺过程 。按被焊金属的组合或加压方式，扩散焊可分为如下几类：同种材料扩散焊，异种材料扩散焊，加中间层扩散焊，共晶反应扩散焊，瞬间液相扩散焊，热等静压扩散焊和超塑成形扩散焊等。 瞬时液相扩散焊简称TLP连接(Transient liquid phase bonding process)，或称过渡液相扩散连接，是一种具有钎焊和扩散焊优点的工艺，由D.S.Duvall等人于1974年首次汇总了它的应用并用相图解释了其金属学原理。 TLP方法能够产生很强的、无界面的、无中间层残留的焊接接头。与传统的焊接相比，瞬时液相扩散连接主要有以下优点： (1)接头质量好 扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在各种熔化焊缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区。扩散焊主要工艺参数易于控制，故在批量生产时接头质量较稳定。 (2)零部件变形小 因扩散焊时所加压力较低，工件多数是整体加热，随炉冷却，故零部件整体塑性变形很小，焊后工件一般不进行机加工。 (3)可一次焊接多个接头 因而扩散焊可作为部件的最后组装连接工艺。 (4)可焊接大断面接头 由于焊接压力较低，在大断面接头焊接时所需设备的吨位不高，易于实现。 (5)可焊接其他焊接方法难于焊接的材料 对与塑性差或熔点高的同种材料，或对于相互不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的那些异种材料，包括某些金属与陶瓷，扩散焊是唯一可靠的连接方法。 (6)与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的经济效益 例如，将钛合金的扩散焊与超塑成形技术结合，可以在一个工序中制造出刚度大、重量轻的整体钛结构件。 瞬时液相扩散焊技术省却了传统的焊条、焊丝等焊接材料，焊接速度更快、耗能更少。目前，TLP焊接已成为各种先进材料，如先进陶瓷、复合材料、各种耐热/耐蚀超合金、单晶合金的首选焊接方法，同时TLP焊接工艺也在传统的结构材料，如碳钢、合金钢等方面的应用潜力同样也十分巨大。 20世纪五十年代，Tiner发现在Ag钎焊过程中，经过高温保温，可以获得成分和母材接近的接头。Lynch等人用一种合金做中间层连接Ti时也发现了该现象。1961年Owczarski首先提出了类似于TLP扩散连接的概念。在连接Zr合金和304不锈钢两种材料时，缺乏合适的钎料，就直接把这两种材料简单的对接在一起，通过控制共晶反应，Fe、Cr、Ni和Zr在980℃形成四元低熔点共晶系统，形成的接头具有较高的强度和较好的抗蚀性。但由于形成了金属间化合物，所以韧性较差。 1970年Hoppin和Berry在连接镍基耐热合金时提出了活性扩散连接的概念，这是在TLP扩散连接过程中最早使用降低熔点元素MPD(Melting point depressant element)概念的文献。1974年D.S.Duvall首次汇总了TLP扩散连接的应用，论述了连接原理，提出了瞬时液相扩散连接的概念。他用Cu-Ni做中间层扩散连接Udimet700材料，连接后形成了无脆性相的接头，国内有的文献也称其为过渡液相扩散焊或扩散钎焊。 目前，TLP扩散连接已不仅局限于原先的镍基超耐热合金焊接领域，在新材料的制备、连接、修复等方面潜力也很大，有待于进一步挖掘。80年代末期，日本住友公司开始研制管道气体保护瞬时液相扩散连接设备，并先后应用于输气和输水管道、民用住宅等安装工程中，获得了成功。90年代初期，日本三菱公司也开发了类似的液相扩散连接设备，并扩展应用到了中高合金耐热钢范围。 美国、英国、加拿大和日本等国在TLP扩散连接技术研究方面作了大量工作，主要研究了瞬时液相扩连结的等温凝固过程，连接模型与数值模拟，工艺参数和中间层对材料连接性能的影响，连接界面结构与性，涉及的材料包括耐热合金、陶瓷、复合材料、金属基化合物材料等。 中国科学院金属研究所李文等采用镍基非晶中间层，研究了DD98单晶高温合金TLP扩散连接，对接头的结构成分分布及连接区域与基体之间的位相关系进行了分析，结果表明接头区域由连接区、中间金属/基体金属扩散区、基体金属区组成。均匀化处理后的接头与基体的γ′沉淀相的尺寸趋于一致，连接层与基体之间的取相匹配良好。北京航空航天大学的曲文卿等以Cu为中间层进行了SiC颗粒增强Al基复合材料与Al合金TLP扩散连接工艺试验，分析了工艺参数对连接接头性能的影响，探讨了异种材料TLP连接过程中溶质扩散的非对称性。南京理工大学和江苏科技大学陈铮、邹家生等人采用Ti/Cu/Ni中间层对Si3N4陶瓷进行二次PTLP连接，研究了Ti箔厚度、连接工艺参数对Si3N4/Ti/Cu/Ni连接强度和界面结构的影响。结果表明：Ti箔厚度对连接强度的影响是通过对反应层厚度的影响体现的；改变二次连接工艺参数对Si3N4/Ti/Cu/Ni二次PTLP连接界面反应层厚度无明显影响，其对室温强度的影响是由于连接接头残余应力的变化所导致的；Si3N4/Ti/Cu/Ni二次PTLP连接界面微观结构为Si3N4/反应层/Cu-Ni固溶体层(少量的Cu-Ni-N)/Ni。北京航空材料研究院的李晓红和毛唯等对国内自行研制的第二代单晶合金DD6的过渡液相扩散焊(TLP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。试验结果表明，很难获得微观组织与DD6母材完全一致的TLP扩散焊接头，1290℃/12h规范扩散焊接头的连接界面，约一半区域为与DD6母材类似的γ +γ′组织，其它区域则为γ固溶体基体上分布着不同形态的硼化物，其980℃的持久性能接近母材性能指标的90％。延长扩散焊保温时间至24h，连接界面上的不均匀区域减少，其980℃及1100℃的持久性能分别达母材性能指标的90％～100％和70％～80％。哈尔滨工业大学的阎久春等人对Al2O3p/6061Al复合材料的TLP扩散连接进行了研究，吉林大学孙大谦等进行了用铝作中间层的镁合金的瞬时液相扩散连接，分析了接头的成分、组织和性能，为镁合金的瞬时液相扩散连接打下了一定基础。与国外相比，国内有关瞬时液相扩散连接技术的研究和应用要落后很多。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-6 at 07:15 ] |
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xucz(金币+2,VIP+0):谢谢，继续期待。 8-6 08:01
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瞬时液相扩散连接(TLP)工艺，由于其具有连接温度、压力相对较低，接头组织均匀，且更易消除界面氧化膜等优点受到人们的普遍关注。传统的TLP扩散连接多在真空条件下完成，实际应用受到一定的限制。一般认为，经等温度凝固或均匀化后接头具有更高的力学性能，但接头性能一般不够稳定，这主要与形成平滑的连接界面及氧化物等杂质在界面的偏聚有关。对耐热钢瞬时液相扩散连接界面形态和降熔元素扩散过程的研究，不仅可丰富材料连接理论，而且可促进瞬时液相扩散连接方法在现代电站材料焊接领域的实际应用，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。 在超（超）临界电站机组材料焊接中，异种材料的连结接头量很大。异种耐热钢焊接的主要对象为奥氏体不锈钢(简称A)与铁素体型(简称F)耐热钢，马氏体耐热钢(简称M)与贝氏体耐热钢(简称B)等，如果能对异种耐热钢的瞬时液相扩散连接的工艺和中间层进行研究，获得界面结合强度高，界面成分分布均匀的焊接接头，充分挖掘材料使用潜力，将会对超临界机组技术的发展和耐热钢的焊接起到很大的促进作用。 随着电站新型耐热材料的开发，材料中合金元素种类增多，用普通的熔化焊接方法焊接的接头，由于其中材料合金元素含量以及材料热物理性能和化学性能的的不同，接头处易形成脆性相和焊接应力，降低接头的强韧性。本课题的研究目的是采用瞬时液相扩散连接技术，运用金属凝固理论，通过研究瞬时液相扩散连接工艺参数（加热温度、等温时间、连接压力、中间层成分等）对耐热钢同种和异种材料连接的微观结构和接头力学性能的影响，得到结合性能优良的接头。进一步研究耐热钢瞬时液相扩散连接的显微组织和降熔元素扩散与相变的特点，探索耐热钢瞬时液相扩散连接接头形成规律，以指导电站耐热钢的焊接工艺，优化接头性能。 |
4楼2009-08-06 07:20:06
2楼2009-08-05 16:38:54
xucz(金币+0,VIP+0):如果做的全面些可以考虑加VIP 8-5 23:17
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你的表扬将成为我前进的动力，尽力而为啊。 有关TLP扩散连接的理论和应用价值都很大。 加强合作与交流更好。 近年来本人对电站耐热钢管瞬时液相扩散连接过程动力学、连接工艺模型进行了理论研究。试验采用电磁感应加热，氩气保护，用非晶箔合金做瞬时液相扩散连接中间层，根据工程背景需要完成了电站锅炉常用的T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐热钢的瞬时液相扩散连接试验，研究了开放环境下瞬时液相扩散连接的强化机理。提出了瞬时液相扩散连接双温工艺理论模型，该模型连接的接头组织性能和母材十分接近。传统的瞬时液相扩散连接工艺是在恒定的温度下进行等温凝固，双温工艺先在较高的温度下短时加热一定时间，然后降到一定温度进行等温凝固，在液固界面形成成分过冷，接头结合更好；不像传统工艺连接的接头有一条平直的连接线，提高了接头的性能。试验表明瞬时液相扩散连接双温工艺消除了传统扩散连接工艺平直的连接界面，利用电子探针(EPMA)测定了连接界面附近元素分布，使用x-射线能谱仪测定了连接界面的成分分布，用透射电子显微镜分析了接头区域的微观结构特征。研究了T91、TP304H/12Cr1MoV、T91/12Cr2MoWVTiB等耐热钢的结合组织和性能，试验结果表明，中间层基体的类别、降熔元素的含量与扩散能力对扩散连接接头质量有很大影响。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-6 at 07:18 ] |
3楼2009-08-05 16:40:30
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xucz(金币+2,VIP+0):谢谢分享！ 8-11 22:44
xucz(金币+2,VIP+0):谢谢分享！ 8-11 22:44
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电站耐热钢瞬时液相扩散是目前很有应用前景的课题。 现代火电机组正在向着高参数大容量方向发展，蒸汽温度和压力进一步提高，新开发的一些新型耐热钢合金元素含量较以前的锅炉用钢更高，焊接性能相比之下有所下降，耐热材料的研制与相应焊接工艺的开发成为材料科学面临的重要课题。耐热钢是电站锅炉常用的耐热材料，目前主要采用氩弧焊进行连接，氩弧焊的主要问题是对工人技能水平要求高，需要开坡口，热影响区容易产生焊接裂纹。瞬时液相扩散连接界面质量高，接头成分和母材相似，强度高，没有明显的界面和焊接残留物，很适合电站锅炉耐热钢管的连接。 金属瞬时液相扩散连接时，中间层液体等温凝固过程对接头组织性能有决定性影响。在液体合金凝固过程中，通过金属凝固理论和技术，研究控制液固界面的形状和推进方式是改善接头性能的理论基础。控制瞬时液相扩散连接液态中间层的结晶过程，可以改善中间层液体等温凝固后接头的界面形态，提高接头力学性能。如果中间层液体没有经过等温凝固就快速冷却下来，其中的降熔元素就来不及向母材扩散，降熔元素集中于接头，会形成类似钎焊的共晶组织，显著降低接头的强度和韧性。因此，瞬时液相扩散连接必须保证等温凝固过程充分进行，使降熔元素有可能扩散均匀。降熔元素向母材不断扩散，等温凝固不断进行，直到等温凝固过程完成。接头区域的组织性能与等温凝固过程中降熔元素原子的扩散有密切关系，所以，有必要研究瞬时液相扩散连接中间层等温凝固过程的微观机制并进行控制。 宏观上具有一定强度以及韧性的固体，其内部结构十分复杂。固态下的金属中，如果用较高倍数的显微镜观察，多数的晶粒中都能看到树枝状的显微组织。也就是说金属凝固时，很多情况下不是保持平直的固-液界面形态，而是以复杂的界面完成凝固的。1953年，哈佛大学教授Chalmers等人通过对金属凝固中液固界面形态的研究提出了界面稳定性的概念和成分过冷理论，首次提出单相二元合金成分过冷理论，即在合金凝固过程中，由于固液相的溶质分配系数不同，固-液界面前沿发生溶质的富集或贫化，导致合金实际凝固温度的降低，这种由于溶质成分变化引起的成分过冷,对合金凝固界面前沿的形态变化起着至关重要的作用。成分过冷对一般单相合金凝固过程的影响与热过冷对纯金属凝固过程的影响本质上是相同的。但同时存在着传质过程的制约，因此情况更为复杂。在无成分过冷和负温度梯度的情况下，合金与纯金属一样，界面为平界面形态。在正的温度梯度时，晶体的生长方式产生多样性，即当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶(等轴枝晶)。在晶体生长过程中，当不存在成分过冷时，在平直的固-液界面上，由于不稳定因素扰动产生凸起，也会由于过热的环境将其熔化而继续保持平直界面；而当界面前沿存在成分过冷时，界面前沿由于不稳定因素而形成的凸起会因为处于成分过冷区而发展，平界面失稳，导致树枝晶的形成。在瞬时液相扩散连接过程中，中间层的熔化和凝固过程的基本理论和常规的铸件成型理论相似，只不过瞬时液相扩散扩散连接凝固过程主要受降熔元素扩散控制，加热温度的调节也会影响影响降熔元素原子的扩散和界面的形态。 [ Last edited by chensijie on 2009-8-11 at 20:07 ] |
5楼2009-08-11 19:43:52
