加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究

江苏科技大学2012届毕业设计（论文）加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究系部：机械与材料工程专业名称：材料成型及控制工程班级：08428151学号：0842815131作者：张宁指导教师：祁凯二零一二年六月江苏科技大学本科毕业论文加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究Studyofcontactreactionweldingprocessbetweentitaniumandgraphitewiththeinterlayerofalloy江苏科技大学本科毕业设计（论文）I摘要本课题研究的是石墨和TC4合金的真空钎焊工艺，观察并且分析了钎焊温度分别为980℃、1000℃在不同中间层及不同的保温时间下的焊缝区域的微观组织和接头区域成分。借助于扫描电镜和能谱分析等分析测试手段，分析了接头的微观组织结构。通过分析各元素的含量分布，及在不同加热温度和不同保温时间的元素分布曲线，我们知道接头成分为Ti/C化合物、Ti/Ni化合物、游离态石墨、（α+β）钛合金。结果表明：(1)在其他工艺参数不变的情况下，加热温度越高，试样的扩散层越大，焊缝则越窄。(2)在其他工艺参数不变的情况下，保温时间越短，扩散层就越大。最终确定石墨/TC4合金的接触反应焊接合适的焊接工艺参数为：当中间层是Ni箔时，加热温度980℃，保温时间3min；当中间层是Cu/Ni箔时，加热温度980℃，保温时间0.5min。关键词：石墨；TC4；接触反应焊；界面组织江苏科技大学本科毕业设计（论文）IIAbstractResearchonthissubjectisgraphiteandTC4alloyvacuumbrazingtechnology,itmainlytakesstockofthemicrostructureandthecompositionofthetie-inon980℃,1000℃withdifferentheatpreservation.hemicrostructureofthejointsisanalyzedbyscanningelectronicmicroscopy(SEM)equippedwithenergydispersespectrum(EDS).TheattachmentingredientistheTi/Ccompound,Ti/Nicompound,thefreestategraphite,(α+β)thetitaniumalloy.Theresultshowedthat:withtheotherparameternochanging,thewidthoftheweldinglinewillreducewiththeheatpreservationincreasing;thethicknessofthediffusionwillincreasewiththeheatpreservationincreasing;selectingtheweldingtemperatureshouldbeinaccordancewiththeliquidline.Ultimatelythegraphite/contactreactionofTC4alloyweldingsuitableweldingparametersasfollows:WhenthemiddlelayerofNifoil,theheatingtemperatureof980℃,holdingtimeof3min;whenthemiddlelayerofCu/Nifoil,heatingtemperatureof980℃insulationtime0.5min.Keywords:graphite;TC4alloy;Contactreactionwelding;interfacemicrostructure江苏科技大学本科毕业设计（论文）III目录第1章绪论.............................................11.1接触反应焊的意义.................................................11.2石墨的材料特性...................................................11.2.1石墨的应用及用途.............................................21.3钛合金的特性.....................................................41.3.1TC4的特点....................................................51.4连接石墨与异种材料方法选择.......................................61.5使用真空钎焊的原因...............................................81.5.1真空钎焊原理.................................................81.5.2真空钎焊的优缺点.............................................91.6石墨与钛合金的钎焊技术研究......................................111.7石墨和TC4合金接触反应的目的及意义..............................111.8本课题研究内容..................................................11第2章实验材料、设备和方法............................122.1实验材料........................................................122.2实验设备........................................................122.2.1观察及分析设备..............................................132.3实验过程........................................................142.3.1试样处理....................................................142.3.2金相试样制备................................................152.3.3真空钎焊工艺参数的选择......................................16第3章实验结果与分析..................................193.1石墨和TC4合金接触反应机理.......................................193.2接触反应焊焊接接头的元素分析.....................................203.3工艺参数对扩散层厚度的影响.......................................223.3.1温度对扩散层厚度的影响......................................22江苏科技大学本科毕业设计（论文）IV3.3.2保温时间对扩散层厚度的影响...................................23结论................................................25致谢..................................................26参考文献............................................27江苏科技大学本科毕业设计（论文）1第1章绪论1.1接触反应焊的意义接触反应钎焊是利用某些异种金属能形成共晶的特点，在界面接触反应良好且加热至高于共晶温度的条件下，依靠金属原子间的互扩散在界面处形成共晶反应液态金属层，随后冷凝结晶，从而把金属连接起来的方法。归结而言：接触反应钎焊是一种依靠材料间的共晶反应所产生的液相合金来实现连接的“自钎料”钎焊技术。1.2石墨的材料特性石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40人，同一网层中碳原子的间距为1.42A。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1.9～2.3。在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。自然界纯石墨很少，常含有SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO、H2O、沥青及粘土等杂质，可多达10～20%。石墨是由碳原子组成的六方网层。根据层的叠置层序和重复周期分为两种类型：ABAB两层一个重复周期的2H型，a0=0.2462nm，c0=0.670nm；Z=4；ABCABC三层一个重复周期的3R型，a0=0.246nm，c0=1.006nm，Z=6。层内原子间距0.142nm，层间距0.335nm。层内原子作六方环状排列，碳原子为三配位，碳原子的外层构型为S2P2，杂化作SP2。每个碳原子以一个S电子和两个P电子与其周围的三个碳原子形成共价键，而另一个具有活动性的P电子则形成离域大π键，从而使晶体具有一定的金属性。层内极强的结合、层间巨大的间距及弱键构成了石墨结构的主要特点，并决定了石墨的特殊性能[1]。耐高温性，石墨是碳的高温变体，是目前已知的最耐高温的材料之一，熔点高达3850℃，4500℃才气化。2500℃时石墨的强度反而比室温时提高一倍[2]。导电、导热性能，电导率约为一般非金属的100倍，碳素钢的2倍，铝的3~3.5倍。若将石墨定向排列，加温、加压制成定向石墨，其顺向导电性约为反向导电性的1000倍，故可制成各种半导体材料和高温导电材料。石墨的导热性能超过钢、铁、江苏科技大学本科毕业设计（论文）2铝，且具有异常导热性，即导热率随温度的升高而降低，在极高的温度下则趋于绝热。化学稳定性，常温下具良好的化学稳定性，不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。但在氧化剂（如高氯酸HClO4）作用下能被氧化。在空气500℃开始氧化，700℃时水蒸气可对其产生侵蚀，900℃时CO2也能对其产生侵蚀作用。石墨的热稳定性良好，膨胀系数小（1.2×10-6/℃），高温下能经受温度剧烈变化而不破坏，且其体积变化不大。润滑性和可加工性，具良好的润滑性能，其摩擦系数在润滑介质小于0.1。鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好[3]。吸热性和散热性，具良好的吸热性能，每1kg可吸收(2.96~9.211)×107J热量，而金属材料每1kg的吸热量为4.061×107J；石墨的散热性能与金属相当。1.2.1石墨的应用及用途石墨的一个主要用途是生产耐火材料，包括耐火砖，坩埚，连续铸造粉，铸模芯，铸模，洗涤剂和耐高温材料。近年来，耐火材料工业中两个重要的变化是镁碳砖在炼钢炉内衬中被广泛应用，以及铝碳砖在连续铸造中的应用。镁碳砖镁碳耐火材料是由美国研制成功，随后日本炼钢业开始把镁碳砖用于水冷却电弧炉炼钢中。目前在世界范围内镁碳砖已大量用于炼钢，并已成为石墨的一种传统用途。石墨在电气工业中广泛用来制作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层等等。其中以石墨电极应用最广，在冶炼各种合金钢、铁合金时，使用石墨电极，这时强大的电流通过电极导入电炉的熔炼区，产生电弧，使电能转化为热能，温度升高到左右，从而达到熔炼或反应的目的[4]。此外，在