扩散连接技术在异种材料连接中的运用

西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称：扩散与固态相变课程代号：任课教师：赵康论文/研究报告题目：扩散连接技术在异种材料连接中的运用完成日期：2012年10月30日学科：学号：1208050417姓名：刘明志成绩：西安理工大学研究生课程论文/研究报告扩散连接技术在异种材料连接中的运用摘要：近年来，新材料在生产中的应用，经常遇到这些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的可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可靠的连接。随着技术的发展，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、金属与玻璃等连接在一起，这也是传统熔焊方法难以实现的，现在不但要连接金属，而且要连接非金属，或金属与非金属。因此，连接所涉及的范围远远超出传统熔焊的概念。为了适应这种要求，近年来作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重视，成为连接领域新的研究热点，正在飞速发展。本文主要介绍了扩散连接技术的原理以及影响扩散连接性能的诸因素，为分析研究具体的异种材料的扩散连接提供理论依据。关键词：扩散连接、固相扩散、瞬时液相扩散、中间层扩散连接是在一定的温度和压力下，经过一定时间，连接界面原子间相互扩散，实现的可靠连接。1扩散连接方法特点1）扩散连接的优点主要有：接合区域无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等熔焊时的缺陷；同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接头，几乎不存在残余应力；可以实现难焊材料的连接，对于塑性差或熔点高的同种材料、互相不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料（包括金属与陶瓷），扩散连接是可靠的连接方法之一；精度高，变形小，精密接合；可以进行大面积板及圆柱的连接；采用中间层可减少残余应力。2）扩散连接的缺点：无法进行连续式批量生产；时间长，成本高；接合表面要求严格；设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。3）扩散连接的分类：西安理工大学研究生课程论文/研究报告2扩散连接的原理扩散连接也是压力焊一种变形，与常用压力焊方法（冷压焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊）相同的是在连接过程中要施加一定的压力，不同的主要在于温度-压力强度及过程的持续时间。扩散连接是零件整体连接的方法，这种连接接头是在原子水平上形成的，它是相互接触的表面，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，经一定时间后保证结合层原子间相互扩散，形成整体水平上的可靠连接。2.1固相扩散连接的原理固相扩散连接主要由以下三个阶段完成：第一阶段为物理接触阶段，这是保证整个表面都可靠接触，只有接触面达到一定的距离，原子间才能相互作用形成原子间的结合，才能形成可靠的连接。在高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面逐渐增大，而达到整个面的可靠接触。第二阶段则是接触表面的激活阶段，物理接触面积逐渐扩大，在接触界面的某些点处形成活化中心，在这个区域可以进行局部化学反应。接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。第三阶段是形成可靠接头阶段，在接触的部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。扩散连接的三阶段模型示意图如图2：上述过程相互交叉进行，最终在连接界面处由于扩散、再结晶等生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠的连接接头。该过程不但应考虑扩散过程，同时应考虑界面生成物的性质，如性能差别较大的两种金属，在高温长时间扩散时，界面极易生成脆性金属间化合物，而使接头性能变差。西安理工大学研究生课程论文/研究报告2.2液相扩散连接基本原理液相扩散连接方法自20世纪50年代以来，在弥散强化高温合金、纤维增强复合材料、异种金属材料以及新型材料的连接中得到了大量应用。该方法也称瞬时液相扩散连接（TransientLiquitPhase），通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。瞬时液相扩散连接过程示意图如下图3所示。a)形成液相b)低熔点元素向母材扩散c)等温凝固d)等温凝固结束e)成分均匀化液相扩散连接的过程主要由三个阶段完成：第一阶段是液相的生成，将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施加一定的压力，或依靠工件自重使相互接触。然后在无氧化或无污染的条件下加热，当加热到连接温度TB时，形成共晶液相（上图a）。第二阶段是等温凝固过程，液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开始保温，使液-固相之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内（图b），母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间推进（图c）。随着保温时间的延长，接头中的液相逐渐减少，最后形成接头（图d）。第三阶段是成分均匀化，等温凝固形成的接头，成分很不均匀。为了获得成分和组织均匀的接头，需要继续保温扩散（图e）2.3超塑成形扩散连接基本原理超塑性是指在一定的温度下，对于等轴细晶粒组织，当晶粒尺寸、材料的变形速率小于某一数值时，拉伸变形可以超过100％、甚至达到数千倍，这种行为叫做材料的超塑性西安理工大学研究生课程论文/研究报告行为。材料的超塑性成形和扩散连接的温度在同一温度区间，因此可以把成形与连接放在一起进行，而构成超塑成形扩散连接工艺。用这种方法可以制造钛合金薄壁复杂结构件（飞机大型壁板、翼梁、舱门、发动机叶片），并已经在航天、航空领域得到应用，如波音747飞机上有70多个钛合金结构件就是应用这种方法制造的。用这种方法制成的结构件，质量小，刚度大，可减轻质量30％，降低成本50％，提高加工效率20倍。3扩散连接参数选择扩散连接参数主要有温度、压力、时间、气氛环境和试件的表面状态，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应统筹考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用。1、连接温度连接温度T越高，扩散系数愈大，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触所需的压力愈小。但是，加热温度受到再结晶、低熔共晶和金属间化合物生成等因素的影响。因此，不同材料组合的连接温度，应根据具体情况，通过实验来选定。从大量实验结果看，连接温度大都在0.5～0.8Tm(母材熔化温度)范围内，最适合的温度一般为T≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度的选择，常在可生成液相的最低温度附近，温度过高将引起母材的过量溶解。2、保温时间扩散连接时间t（也称保温时间）主要决定原子扩散和界面反应的程度，同时也对所连接金属的蠕变产生影响。连接时间不同，所形成的界面产物和界面结构不同。扩散连接时，要求接头成分均匀化的程度越高，保温时间就将以平方的速度增长。实际扩散连接工艺中保温时间从几分钟到几小时，甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑，保温时间越短越好。缩短保温时间，必须相应提高温度与压力。接头强度一般是随时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，延伸率和冲击韧性与保温扩散时间的关系也与此相似。3、连接压力扩散连接时的压力主要促使连接表面产生塑性变形及达到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失，防止扩散孔洞的产生。压力愈大，温度愈高，紧密接触的面积也愈多。但不管压力多大，在扩散连接的初期不可能使连接表面达到100%的紧密接触状态，总有一小部分演变成界面孔洞。目前，扩散连接规范中应用的压力范围很宽，最小只有0.04MPa(瞬时液相扩散连接)，最大可达350MPa（热等静压扩散连接），而一般压力约为10~30MPa。与连接温度和时间的影响一样，压力也存在最佳值，在其他规范参数不变的条件下，最佳压力时接头可以获得最佳强度。4、环境气氛扩散连接一般在真空、不活性气体（Ar、N2）或大气气氛环境下进行，一般来说，真空扩散连接的接头强度高于在不活性气体和空气中连接的接头强度。真空中的材料在温西安理工大学研究生课程论文/研究报告度升高时，气体会从零件和真空室内壁中析出，计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（1.33~1.33×10-3Pa），就足以保证连接表面达到一定的清洁度，从而确保实现可靠连接。5、表面状态表面粗糙度的影响，几乎所有的焊接件都需要由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。扩散连接的试件一般要求表面粗糙度应达到Ra＞2.5mm（▽6）以上。待连接零件在扩散连接前的加工和存放过程中，被连接表面不可避免地形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。在连接前需经过脱脂、去除氧化物及气体处理等工艺过程。6、中间层选择两种材料结晶化学性能差别较大，这两种材料连接时，极易在接触界面生成脆性金属间化合物。两种材料的热膨胀系数差别大，在接头区域极易产生很大的内应力。针对这些问题为了获得高质量的接头，则要选择中间层，使中间层金属与两侧材料都能较好的结合，生成固溶体，则实现良好的连接，对热物理性能差别较大的材料，可以用软的中间层或用几个中间层过渡,缓和接头的内应力，以保证获得性能良好的接头。扩散连接时，中间层材料非常主要，除了能够无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间夹层进行扩散连接。中间层材料不仅在固相扩散连接时使用，在液相扩散连接中应用的也比较广泛。中间层可采用多种方式添加，如薄金属垫片、非晶态箔片、粉末（对难以制成薄片的脆性材料）和表面镀膜（如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、喷镀、离子注入等）。6.1、中间层的作用（1）改善表面接触，减小扩散连接时的压力。对于难变形材料，扩散连接时采用软质金属或合金作中间层，利用中间层的塑性变形和塑性流动，使结合界面达到紧密接触，提高物理接触效果和减少达到紧密接触所需的时间。同时，中间层材料的加入，使界面的浓度梯度变大，促进元素的扩散，加速扩散空洞的消失。（2）可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。例如，Al合金表面易形成一层稳定的Al2O3氧化物层，扩散连接时该层不向母材中溶解。可以采用Si作中间层，利用Al-Si共晶反应形成液膜，促进Al2O3层破碎。Ni基合金表面也容易形成氧化膜，扩散连接时，由于微量氧的存在，可在连接界面促进碳化物和氮化物的形成，影响接头性能。采用Ni箔作中间层进行扩散连接，可以对这些化合物的生成起抑制作用。（3）改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织。异种金属材料扩散连接时，最好选用和母材不形成金属间化合物的第三者材料，以便通过控制界面反应，改善材料的连接性。例如，Fe和Ti扩散连接时，除形成Fe-Ti化合物以外，Fe中的C元素和Ti反应形成TiC。采用Ni作中间层进行扩散连接，可以抑制TiC脆性相的出现。而且，在Ni与Ti的界面上，形成Ni-Ti化合物后，接头强度比形成TiC时高。（4）可以降低连接温度，减少扩散连接时间。例如，Mo直接扩散连接时，连接温西安理工大学研究生课程论文/研究报告度为1260℃，而采用Ti箔作中间层，连接温度只需要930℃。控制接头应力，提高接头强度。异种材料连接时，由于材料物理化学性能的突变，特别是因热膨胀系数不同，接头易产生很大的热应力。选取兼有两种母材性能的材料作中间层，形成梯度接头，避免或减少界面的热应力，从而提高接头强度。6.2、中间层选择原则1）容易塑性变形，熔点比母材低。2）物理化学性能与母材的差异比被连接材料之间的差异小。3）不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不希望出现的共晶相。4）不引起接头的电化学腐蚀。4常用材料的扩散连接钛合金扩散连接时，Ti表面的氧化膜在高温下可以溶解在母材中，在5MPa的气压下，可以溶解TiO2达30％，故氧化膜不妨碍扩散连接的进行。在相同成分的钛及其合金扩散连接的接头组织中没有原始界面的痕迹。钛合金应用最普遍的连接方法是超塑成形扩散连接（SPF/DB）。钛合金原始晶粒度对扩散连接质量也有影响。镍基高温合金的热强性好、变形阻力大，扩散连接时要实现可靠的物理接触，必须提高连接温度或增大连接压力（Ni本身为立方晶格，原子排列密集