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1、第四章 擴散焊,機械與控制工程學院,9.1擴散連接機理9.1.1固相擴散連接基本原理9.1.2液相擴散連接基本原理9.1.3超塑成形擴散連接基本原理9.2擴散連接工藝9.2.1擴散連接的工藝特點9.2.2擴散連接工藝參數(shù)選擇9.3常用材料的擴散連接9.3.1鈦合金及其鈦鋁金屬間的擴散連接.鎳基高溫合金的擴散連接.異種金屬材料的擴散連接.陶瓷材料的擴散連接,.復合材料的擴散連接.擴散連接設備.擴散連接設備的分類.擴散連接設備的組成.典型擴散連接設備及工作原理,工藝特點,1)接合區(qū)域無凝固(鑄造)組織，不生成氣孔、宏觀裂紋等熔焊時的缺陷。2)同種材料接合時，可獲得與母材性能相同的接頭，幾乎不存在殘

2、余應力。,4.1擴散焊原理及應用,4.1.1擴散焊的概念及特點,工藝特點,3)對于塑性差或熔點高的同種材料、互相不溶解或在熔焊時會產生脆性金屬間化合物的異種材料(包括金屬與陶瓷)，擴散連接是可靠的連接方法之一。4)精度高，變形小，精密接合。5)可以進行大面積板及圓柱的連接。6)采用中間層可減少殘余應力。,4.1擴散焊原理及應用,工藝特點,1)無法進行連續(xù)式批量生產。2)時間長，成本高。3)對接合表面要求嚴格。4)設備一次性投資較大，且連接工件的尺寸受到設備的限制。,4.1擴散焊原理及應用,9.1擴散連接機理,圖-擴散連接分類簡圖,4.1擴散焊原理及應用,4.1.2擴散焊的分類,圖-典型結構的超

3、塑性擴散連接a)單層加強構件b)雙層加強結構c)多層夾層結構(三層)1上模密封壓板2超塑性成形板坯3加強板4下成形模具5超塑性成形件6外層超塑性成形板坯7不連接涂層區(qū)(釔基或氮化硼)8內層板坯9超塑性成形的兩層結構件10中間層板坯11超塑性成形的三層結構件,4.1擴散焊原理及應用,4.1.3擴散焊的應用,固相擴散連接基本原理,1.接頭形成過程2.材料連接時的物理接觸過程3.擴散連接時的化學反應,4.2擴散焊過程,4.2.1固態(tài)擴散焊接過程,圖9-2擴散連接的三階段模型a)凹凸不平的初始接觸b)變形和形成部分界面階段c)元素相互擴散和反應階段d)體積擴散及微孔消除階段,4.2擴散焊過程,2.材料

4、連接時的物理接觸過程,(1)物理接觸及氧化膜去除被連接面在真空中加熱時，油脂逐漸分解和揮發(fā)，吸附的蒸氣和各種氣體分子被解吸下來。(2)氧化膜去除機制在一般真空度條件下，氧化膜去除有以下三種機制：1、鈦鎳型；2、鋼鐵型；3、鋁合金型,4.2擴散焊過程,2.材料連接時的物理接觸過程,(3)物理接觸的形成擴散連接時表面的物理接觸(使表面接近到原子間力的作用范圍之內)是形成連接接頭的必要條件。,4.2擴散焊過程,圖9-3加壓時間與表層變形量、變形速度之間的關系,4.2擴散焊過程,圖9- 4鈦接頭中物理接觸面積與溫度及時間的關系,4.2擴散焊過程,3.擴散連接時的化學反應,(1)原子的相互作用接觸面形成

5、時，所產生的結合力不足以產生表面原子間的牢固連接，為了獲得原子之間的牢固結合(形成金屬鍵、共價鍵、離子鍵)，就必須激活表面上的原子。(2)擴散時的化學反應在異種材料特別是金屬與非金屬材料連接時，界面將發(fā)生化學反應。,4.2擴散焊過程,圖9-5SiO2中硅與鋁的置換反應a)反應產物溶解b)形成新相,4.2擴散焊過程,液相擴散連接基本原理,(1)液相的生成將中間擴散夾層材料夾在被連接表面之間，施加一定的壓力(0.1MPa左右)，或依靠工件自重使相互接觸。(2)等溫凝固過程液相形成并充滿整個焊縫縫隙后，應立即開始保溫，使液-固相之間進行充分的擴散，由于液相中使熔點降低的元素大量擴散至母材內(圖-b)

6、，母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點逐漸升高而凝固，凝固界面從兩側向中間推進(圖-c)。(3)成分均勻化等溫凝固形成的接頭，成分很不均勻。,4.2擴散焊過程,4.2.2瞬間液相擴散焊接過程,圖9-6瞬時液相擴散連接過程示意圖a)形成液相b)低熔點元素向母材擴散c)等溫凝固d)等溫凝固結束e)成分均勻化,4.2擴散焊過程,圖-等溫凝固過程中固液界面移動模型,4.2擴散焊過程,圖9-8成分均勻化過程及元素的濃度分布變化,4.2擴散焊過程,接頭形式設計,(1)接頭的基本形式擴散連接的接頭形式比熔化焊類型多，可進行復雜形狀的接合，如平板、圓管、管、中空、T形及蜂窩結構均可進行擴散連接。(2)擴散

7、連接制造復合材料在纖維強化復合材料的制造過程中，常用的加工方法之一是擴散連接。,4.3擴散焊工藝參數(shù),4.3.1焊前準備,圖9-擴散連接的基本接頭形式,4.3擴散焊工藝參數(shù),焊件表面的制備與清理,(1)表面機械加工 平整光滑，機加工等加工出表面所需要的表面平面度和粗糙度，若采用加入軟中間層的擴散焊或過渡液相的擴散焊，則粗糙度值可適當放寬。(2)表面凈化處理 清除氧化膜、油及吸附物。多采用化學腐蝕方法。,擴散焊選擇焊接工藝參數(shù)有以下基本原則：,(1)選擇利于擴散的晶格 材料的同素異構轉變對擴散速率有很大影響。(2)選擇超塑性的母材(3)在中間層合金系中加入提高擴散系數(shù)的元素，提高擴散速率。(4)

8、異種材料焊接時，應降低焊接溫度，可插入適當?shù)闹虚g層，以吸收應力、減小線膨脹。,4.3.2選擇焊接參數(shù)的基本原則,擴散連接工藝參數(shù)選擇,1.連接溫度2.擴散連接時間3.連接壓力4.環(huán)境氣氛5.表面狀態(tài)6.中間層選擇,4.3擴散焊工藝參數(shù),4.3.3工藝參數(shù)對焊接質量的影響,1、焊接溫度,焊接溫度越高，擴散系數(shù)越大，金屬的塑性變形能力越好，焊接表面達到緊密接觸所需的壓力越小，所獲得的的接頭強度越高。但是，加熱溫度的提高要受到被焊材料的冶金和物理化學特性方面的限制。,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-SiC/Ti反應層厚度與溫度及時間的關系,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-連接溫度對錫青銅/Ti接頭強度的影響,4

9、.3擴散焊工藝參數(shù),2、焊接壓力,擴散焊接時壓力的主要作用是促使焊件表面產生塑性變形并達到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加速擴散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴散孔洞的產生。,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-壓力對接頭彎曲強度的影響,4.3擴散焊工藝參數(shù),3、焊接時間,又稱保溫時間，需要的保溫時間與溫度、壓力、中間擴散層厚度、接頭成分及組織均勻化要求密切相關，也受材料表面狀態(tài)和中間層材料的影響。,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-擴散連接時間對銅鋼接頭性能的影響,4.3擴散焊工藝參數(shù),4、環(huán)境氣氛,擴散焊一般在真空或保護氣氛下進行，真空度、保護氣體純度、流量和壓力等均會影響擴散焊接頭質量。,4.3擴散焊工藝

10、參數(shù),圖-連接環(huán)境對S/Al/S接頭抗彎強度的影響,4.3擴散焊工藝參數(shù),5.表面狀態(tài),(1)表面粗糙度的影響幾乎所有的焊接件都需要由機械加工制成，不同的機械加工方法，獲得的粗糙等級不同。(2)表面清理待連接零件在擴散連接前的加工和存放過程中，被連接表面不可避免地形成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。,4.3擴散焊工藝參數(shù),9017.tif,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-S-Al表面粗糙度對接頭抗彎強度的影響,4.3擴散焊工藝參數(shù),(1)中間層的作用(2)中間層的選擇(3)固相擴散連接中間層材料在固相擴散連接中多用軟質純金屬材料做中間層，常用的材料為Ti、Ni、Cu、Al、Ag、Au及不銹鋼。()液相擴

11、散連接中間層液相擴散連接時，除了要求中間層(釬料)具有上述性能以外，還要求與母材潤濕性好、凝固時間短、含有加速擴散的元素(如硼、鈹、硅等)。,4.3擴散焊工藝參數(shù),6.中間層,(1)中間層的作用,1)改善表面接觸，減小擴散連接時的壓力。2)可以抑制夾雜物的形成，促進其破碎或分解。3)改善冶金反應，避免或減少形成脆性金屬間化合物和有害的共晶組織。4)可以降低連接溫度，減少擴散連接時間。5)控制接頭應力，提高接頭強度。,4.3擴散焊工藝參數(shù),(2)中間層的選擇,1)容易塑性變形，熔點比母材低。2)物理化學性能與母材的差異比被連接材料之間的差異小。3)不與母材產生不良的冶金反應，如不產生脆性相或不希

12、望出現(xiàn)的共晶相。4)不引起接頭的電化學腐蝕。,4.3擴散焊工藝參數(shù),圖-SiC-金屬界面的反應層厚度與接頭強度的關系,4.3擴散焊工藝參數(shù),擴散連接設備的分類,()按照真空度分類根據工作空間所能達到的真空度或極限真空度，可以把擴散連接設備分為四類，即低真空(.以上)、中真空(.)、高真空(P)焊機和低壓或高壓保護氣體擴散焊機。()按照熱源類型和加熱方式分類進行擴散連接時，加熱熱源的選擇取決于連接溫度、工件的結構形狀及大小。()其他分類方法根據真空室的數(shù)量，可以將擴散連接設備分為單室和多室兩大類；根據真空連接的工位數(shù)(傳力桿的數(shù)量)，又可分為單工位和多工位焊機；根據自動化程度，可分為手動、半自動

13、和自動程序控制三類。,4.4擴散焊設備,()真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)包括真空室、機械泵、擴散泵、管路、切換閥門和真空計組成。()加熱系統(tǒng)高頻感應擴散焊接設備采用高頻電源加熱，工作頻率為60500kHz，由于集膚效應的作用，該類頻率區(qū)間的設備只能加熱較小的工件。()加壓系統(tǒng)為了使被連接件之間達到密切接觸，擴散連接時要施加一定的壓力。,4.4擴散焊設備,4.4.1真空擴散焊設備,()控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度、壓力、真空度及連接時間的控制，少數(shù)設備還可以實現(xiàn)位移測量及控制。()冷卻系統(tǒng)為了防止設備在高溫下?lián)p壞，應對擴散泵、感應加熱線圈、電阻加熱電極、輻射加熱的爐體等按照要求通水冷卻。,4.4擴散焊設備,

14、4.4.1真空擴散焊設備,圖-感應加熱擴散焊機原理示意圖,4.4擴散焊設備,()電阻輻射加熱真空擴散連接設備真空擴散焊機是最常用的擴散連接設備，結構原理如圖-所示。()感應加熱擴散連接設備圖-是感應加熱擴散焊機示意圖，由高頻電源和感應線圈構成加熱系統(tǒng)，機械泵、擴散泵和真空室構成真空系統(tǒng)。()超塑成形-擴散連接設備此類設備是由壓力機和專用加熱爐組成，可分為兩大類。()熱等靜壓擴散焊設備近年來，為了制備致密性高的陶瓷及精密形狀的構件，熱等靜壓(簡稱)設備受到人們的重視。,4.4擴散焊設備,4.4.2電阻輻射加熱真空擴散焊設備,圖-電阻輻射加熱真空擴散連接設備結構原理示意圖下壓頭上壓頭加熱器真空爐體

15、傳力桿機架液壓系統(tǒng)工件真空系統(tǒng),4.4擴散焊設備,圖-感應加熱擴散連接設備照片,4.4擴散焊設備,4.4擴散焊設備,4.4.3超塑成形擴散焊設備,鈦合金及其鈦鋁金屬間的擴散連接,1.鈦合金的擴散連接2. Ti3Al金屬間化合物的擴散連接3.TiAl金屬間化合物的擴散連接,4.5典型材料的擴散焊及其應用,4.5.1鈦合金的擴散焊,鈦合金及其鈦鋁金屬間的擴散連接,鈦及其合金擴散焊特點：1、焊件表面無需進行特殊的準備和控制；2、在真空或Ar氣保護下進行；3、采用超塑成形擴散焊接；4、原始晶粒會影響接頭質量。,4.5典型材料的擴散焊及其應用,4.5.1鈦合金的擴散焊,B9023.TIF,4.5典型材料

16、的擴散焊及其應用,B9024.TIF,4.5典型材料的擴散焊及其應用,B9025.TIF,4.5典型材料的擴散焊及其應用,圖-超塑性成形擴散連接接頭質量與壓力及時間的關系(，真空度小于1.33Pa),4.5典型材料的擴散焊及其應用,圖-鈦合金的晶粒度對連接時間和壓力的影響,4.5典型材料的擴散焊及其應用,圖-TAl合金擴散連接時間,4.5典型材料的擴散焊及其應用,圖-TAl合金擴散連接溫度,4.5典型材料的擴散焊及其應用,9023.tif,4.5典型材料的擴散焊及其應用,9024.tif,4.5典型材料的擴散焊及其應用,圖-不同溫度下接頭和母材的抗拉強度(連接條件：，.，15，真空度.),4.5典型材料的擴散焊及其應用,鎳基高溫合金的擴散連接,.焊接溫度高或壓力大；.焊前準備要求高；.用純鎳做中間層；.擴散焊方法：直接擴散焊法，加中間層擴散焊法，液相擴散焊法。,4.5典型材料的擴散焊及其應用,4.5.2鎳合金的擴散焊,圖-擴散連接參數(shù)對接頭性能的影響(30)a)壓力b)溫度c)時間,4.5典型材料的擴散焊及其應用,高溫合金的擴散連接,.焊接溫度高；.焊接壓力大；.焊前準備要求高；.以N