P08 組織過程焦點(diǎn)OPF

1、先進(jìn)材料連接技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用 學(xué) 號(hào)：B10030124學(xué) 院：洛陽理工學(xué)院 系 別：機(jī)電工程系 姓 名：朱羅北 教 師 ：閆紅彥陶瓷與金屬擴(kuò)散焊連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前言現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,要求材料能在各種苛刻的環(huán)境下可靠地工作。在工程結(jié)構(gòu)材料中,現(xiàn)有的金屬材料雖然在室溫強(qiáng)度、延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等方面具有優(yōu)良的特性,但其耐高溫、耐腐蝕,耐磨損等性能已不能滿足日趨提高的需求。陶瓷材料,特別是具有熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高、硬度高、高溫蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、彈性模量高以及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良性能和特點(diǎn)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于其化學(xué)鍵的特點(diǎn),具

2、有脆性大、強(qiáng)度分散和加工困難三個(gè)固有的缺點(diǎn),這些缺點(diǎn)導(dǎo)致其抗冷熱沖擊能力差、難以制成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件,從而也限制了其應(yīng)用范圍。由此可見,陶瓷材料和金屬材料之間明顯有著一種性能互補(bǔ)關(guān)系,將陶瓷與金屬連接起來制成復(fù)合構(gòu)件,充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)各自的不足,對(duì)于改善結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)、降低制造成本、拓寬陶瓷材料的應(yīng)用范圍具有特別重要的意義。因此,陶瓷/ 金屬的連接問題也一直是研究的熱點(diǎn)問題1。擴(kuò)散焊連接技術(shù)適用于各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點(diǎn)是接頭質(zhì)量穩(wěn)定，連接強(qiáng)度高，接頭高溫性能和耐蝕性能好。因此，對(duì)于高溫或耐蝕條件下的應(yīng)用來講,擴(kuò)散連接是陶瓷與金屬連接最適宜的方法。由于

3、這種方法能充分發(fā)揮陶瓷的優(yōu)異性能，因而受到世界各國學(xué)者和工程界人士的重視，并在界面反應(yīng)研究、殘余應(yīng)力分析和連接工藝研究等方面開展了大量的工作，取得了顯著的成果2。1 擴(kuò)散焊的原理及影響因素1.1 基本原理擴(kuò)散焊是指在一定的溫度和壓力下，待焊表面相互靠近、相互接觸，通過使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過被連接表面產(chǎn)生的瞬態(tài)液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后經(jīng)較長時(shí)間的原子間相互擴(kuò)散、相互滲透，而形成冶金結(jié)合的連接過程3。擴(kuò)散焊過程大致可分三個(gè)階段，第一階段為物理接觸，被連接表面在壓力和溫度作用下，粗糙表面的微觀凸起首先達(dá)到塑性變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面積逐漸擴(kuò)大，并緊密接觸，最終達(dá)到整個(gè)面的

4、可靠接觸；第二階段是接觸界面原子間的相互擴(kuò)散和再結(jié)晶，形成牢固的結(jié)合層；第三階段是在接觸部分形成的結(jié)合層中，原子擴(kuò)散逐漸向縱深發(fā)展，形成可靠連接接頭。這三個(gè)過程并不是截然分開的，而是相互交叉進(jìn)行，最終在接頭連接區(qū)域由于擴(kuò)散、再結(jié)晶等過程形成固態(tài)冶金結(jié)合，它可以生成固溶體及共晶體，有時(shí)生成金屬間化合物，形成可靠連接4。焊接參數(shù)的選擇就是要控制這些因素，最終得到綜合性能良好的接頭。1.2 影響擴(kuò)散焊的主要因素（1） 溫度。溫度影響被焊材料的屈服強(qiáng)度和原子的擴(kuò)散行為，對(duì)消除空隙起著決定性作用，擴(kuò)散溫度的經(jīng)驗(yàn)公式5為T= (0.6- 0.8) Tm，其中Tm為被焊零件材料中的最低熔點(diǎn)。溫度是促進(jìn)原子擴(kuò)

5、散的最重要因素，加熱焊件能提高原子、離子、分子的能量，從而加速擴(kuò)散，但溫度過高，對(duì)焊縫度強(qiáng)有所降低。因此，如何選定最佳焊接溫度，是提高焊縫強(qiáng)度的關(guān)鍵。（2） 壓力。壓力能使材料連接面達(dá)到完全接觸，擴(kuò)大有效的焊接面積，加快擴(kuò)散再結(jié)晶過程。焊接壓力的大小，要視焊接材料的屈服極限和蠕變程度而定，一般以接合面產(chǎn)生蠕變變形為原則。（3） 時(shí)間。擴(kuò)散焊三個(gè)階段的進(jìn)行都需要較長的時(shí)間。一般說來，延長擴(kuò)散時(shí)間，可以提高擴(kuò)散效果，但對(duì)某些材料，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間過長，效果反而不好，甚至?xí)a(chǎn)生金屬間化合物脆性層。能否正確地選擇時(shí)間參數(shù)，對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響很大。（4） 工作介質(zhì)。為防止擴(kuò)散過程中焊件氧化，一般采用真空擴(kuò)散焊

6、，或用特殊氣氛作保護(hù)介質(zhì)。真空擴(kuò)散焊目前應(yīng)用較多。一般而言，真空度越大，表面凈化作用越強(qiáng)，焊接效果越好。選定多大的真空度應(yīng)以被焊接材料的種類和對(duì)焊件的要求而定。氣體保護(hù)擴(kuò)散焊多用氬、氦、氫或二氧化碳及各種混合氣體作保護(hù)氣氛。（5） 表面狀態(tài)。零件的加工精度、表面狀態(tài)是擴(kuò)散焊能否成功的關(guān)鍵。良好的表面狀態(tài)能使零件在溫度、壓力的作用下結(jié)合得更緊密，擴(kuò)散更充分，焊接質(zhì)量更可靠。焊接前要將焊接面清洗干凈，不得有任何雜質(zhì)和氧化層。為擴(kuò)大連接面，增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度，還可以通過設(shè)計(jì)合理的焊件連接面結(jié)構(gòu)形狀來實(shí)現(xiàn)。2 陶瓷與金屬擴(kuò)散焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀2.1陶瓷與金屬焊接的主要困難陶瓷與金屬連接構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)

7、材料可以獲得金屬、陶瓷的性能互補(bǔ), 并降低復(fù)合材料的成本。但由于兩者在物理和化學(xué)性質(zhì)方面存在很大差異, 故焊接上存在以下困難2:（1）它們的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同, 導(dǎo)致熔點(diǎn)極不相同；（2） 陶瓷晶體的強(qiáng)大鍵能使元素?cái)U(kuò)散極困難；（3）它們的熱膨脹系數(shù)相差懸殊, 導(dǎo)致接頭產(chǎn)生很大熱應(yīng)力, 會(huì)在陶瓷側(cè)產(chǎn)生裂紋；（4）結(jié)合面產(chǎn)生脆性相, 玻璃相會(huì)使陶瓷性能減弱。所以難于用常規(guī)的熔焊方法實(shí)現(xiàn)連接, 目前廣泛采用的是擴(kuò)散焊接和釬焊。釬焊所面臨的問題是如何改善釬料對(duì)母材的潤濕性和提高接頭的高溫強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性而擴(kuò)散焊接被認(rèn)為是陶瓷與金屬連接的較佳方法, 其顯著特點(diǎn)是接頭質(zhì)量穩(wěn)定, 連接強(qiáng)度高, 接頭高溫性能和耐腐蝕

8、性能好。2.2 陶瓷與金屬的擴(kuò)散焊接現(xiàn)狀擴(kuò)散焊接適用于各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點(diǎn)是接頭質(zhì)量穩(wěn)定,連接強(qiáng)度高,接頭高溫性能和耐腐蝕性能好。因此,對(duì)于高溫和耐蝕條件下的應(yīng)用來講,擴(kuò)散焊接是陶瓷與金屬連接最適宜的方法。在陶瓷與金屬的擴(kuò)散焊接中,為緩解因陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)不同而引起的殘余應(yīng)力以及控制界面反應(yīng),抑制或改變界面反應(yīng)產(chǎn)物以提高接頭性能,常采用中間層2 : (1) 為緩解接頭的殘余應(yīng)力,中間層可采用單一的軟金屬,也可采用多層金屬。軟金屬中間層有Ni ,Cu 及Al 等,它們的塑性好,屈服強(qiáng)度低,能通過塑性變形和蠕變變形來緩解接頭的殘余應(yīng)力； (2) 從控制界面反應(yīng)出發(fā),可以選擇活

9、性金屬中間層,也可以采用粘附性金屬中間層?；钚越饘僦虚g層有V , Ti ,Nb , Zr ,Hf ,Cu - Ti 及Ni2Cr 等,它們能與陶瓷相互作用,形成反應(yīng)產(chǎn)物,并通過生成的反應(yīng)產(chǎn)物使陶瓷與被連接金屬牢固地連接在一起。粘附性金屬中間層有Fe ,Ni 和Fe - Ni 等,它們與某些陶瓷不起反應(yīng),但可與陶瓷組元相互擴(kuò)散形成擴(kuò)散層。研究發(fā)現(xiàn),將粘附性金屬與活性金屬組合運(yùn)用,所取得的效果更好。劉偉平6等人研究了加Nb 膜中間層對(duì)Cu/ Al2O3 界面接合強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明:Nb 膜中間層的加入,顯著提高了Cu/ Al2O3 擴(kuò)散焊接頭的斷裂能量。在此基礎(chǔ)上,作者還以單晶- Al2O3 陶

10、瓷和單晶Cu 為母材,研究了Cu/Al2O3 擴(kuò)散焊接頭以及帶Nb 膜中間層的Cu/ Nb/Al2O3 擴(kuò)散焊接頭界面晶體位向關(guān)系對(duì)接頭斷裂能量的影響。同樣,采用金屬Nb (箔片) 做中間緩沖層,對(duì)SiC 陶瓷和SUS304 不銹鋼也進(jìn)行了擴(kuò)散焊接,接頭強(qiáng)度穩(wěn)定在100MPa 以上7 。楊敏，鄒增大8等人采用不同的中間層材料進(jìn)行Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金連接試驗(yàn)，通過剪切試驗(yàn)測定連接接頭的抗剪強(qiáng)度，采用掃描電鏡、電子探針等分析手段分析由不同材料組成的復(fù)合中間層對(duì)Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金連接性的影響。研究表明，當(dāng)中間層材料在連接溫度下與緊鄰陶瓷連接面的位

11、置能形成含活性元素的局部液相時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金的連接。當(dāng)中間層含有連接過程不熔化的軟金屬層時(shí)，接頭強(qiáng)度明顯提高。P.Hussain9等對(duì)Si 陶瓷與鐵素體不銹鋼進(jìn)行直接擴(kuò)散焊。試驗(yàn)表明：由于材料之間的相互反應(yīng)和擴(kuò)散Si與鐵素體不銹鋼之間形成了韌性很好的界面，緩和了Si與鐵素體不銹鋼之間的熱性能不匹配問題。而Si 陶瓷與奧氏體不銹鋼之間沒有形成韌性層,因而Si與鐵素體不銹鋼的連接比奧氏體不銹鋼成功得多。近年來,采用功能梯度材料作中間層焊接陶瓷/ 金屬,焊接接頭性能得到更大程度的改善。此外,為改進(jìn)陶瓷的焊接性,預(yù)先對(duì)陶瓷表面進(jìn)行金屬化,再擴(kuò)散焊接陶瓷與金屬,

12、接頭強(qiáng)度也大大提高,如AlN 與Cu 和FeNi42 的連接10。 Dr.2Ing.Ulrich Draugelates 等人認(rèn)為11 ,如果陶瓷表面不經(jīng)任何處理,陶瓷/金屬焊接接頭在冷卻過程中,陶瓷周圍將產(chǎn)生應(yīng)力極大值。為了減少殘余應(yīng)力和提高接頭強(qiáng)度,可對(duì)陶瓷表面預(yù)先進(jìn)行宏觀幾何學(xué)處理,殘余應(yīng)力將位于被金屬填充的被連接陶瓷表面的凹槽中,連接區(qū)的周圍就沒有應(yīng)力集中。有限元方法模擬表明12:陶瓷被連接表面的不同的幾何形狀對(duì)緩解殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)并沒有明顯不同。3 陶瓷與金屬擴(kuò)散焊接技術(shù)的應(yīng)用陶瓷與金屬的異種材料焊接構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料是高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)極好

13、的結(jié)構(gòu)材料, 有可能用于燃燒室、火焰穩(wěn)定器、機(jī)匣、渦輪葉片和尾噴口調(diào)節(jié)片等, 被認(rèn)為是未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料。有資料報(bào)道, 單晶技術(shù)的引入僅將材料的工作溫度提高50 ,而陶瓷材料約可提高400,到2010年為止，陶瓷材料已占航空發(fā)動(dòng)機(jī)總重的20%左右13。但由于影響陶瓷/金屬擴(kuò)散焊接的因素很多,諸如中間層的選擇、中間層厚度、被連接表面形狀等,都有可能影響擴(kuò)散焊接頭的質(zhì)量,這些問題有待進(jìn)一步研究。4 結(jié)束語陶瓷與金屬異種材料的擴(kuò)散焊接是一門綜合性技術(shù),涉及范圍廣,學(xué)科交叉性強(qiáng)。盡管人們在這方面進(jìn)行了大量的工作,也取得了顯著的成果,但在界面反應(yīng)的研究、殘余應(yīng)力分析、接頭性能評(píng)定及連接工藝等方

14、面還有待深入研究。同時(shí)跨入21世紀(jì)后對(duì)于高性能結(jié)構(gòu)陶瓷與金屬的連接工藝不斷發(fā)展和日趨成熟。為了占領(lǐng)以陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的工程陶瓷市場,日本和美國均花巨資對(duì)陶瓷與金屬的連接工藝進(jìn)行了廣泛深入的研究。我國應(yīng)加強(qiáng)對(duì)陶瓷- 金屬連接工藝的研究和開發(fā),盡快完善接頭性能評(píng)價(jià)方法,建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),積極消化國外的先進(jìn)技術(shù),為將來占領(lǐng)國際結(jié)構(gòu)陶瓷市場作好準(zhǔn)備。參考文獻(xiàn)1 李淑華,王建江,李樹堂. 陶瓷與金屬的連接J.特種鑄造及有色金屬, 2000 ,2 :5153.2 劉會(huì)杰,馮吉才,李廣,等. 陶瓷與金屬擴(kuò)散連接的研究現(xiàn)狀J.焊接,2000 (9) :712.3 李志遠(yuǎn).先進(jìn)連接方法M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,

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