擴(kuò)散焊課程設(shè)計(jì)

擴(kuò)散焊課程設(shè)計(jì)擴(kuò)散焊課程設(shè)計(jì)/NUMPAGES28擴(kuò)散焊課程設(shè)計(jì)擴(kuò)散焊課程設(shè)計(jì)目錄一課程設(shè)計(jì)任務(wù)書二設(shè)計(jì)正文（一）課程設(shè)計(jì)概述1.課程設(shè)計(jì)相關(guān)材料1．1關(guān)于Ti-6AL-4V和不銹鋼4101.2鈦合金與不銹鋼連接的現(xiàn)實(shí)意義1.3鈦及鈦合金／鋼的焊接性分析2．本課程設(shè)計(jì)的目的及意義(二）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1.擴(kuò)散連接的基本概念及特征1.1擴(kuò)散連接的基本概念1.2擴(kuò)散焊的工藝特點(diǎn)1.3擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)2擴(kuò)散焊的擴(kuò)散機(jī)理3擴(kuò)散連接相關(guān)公式及推導(dǎo)3.1菲克第一和第二定律3.2擴(kuò)散系數(shù)D的公式3.3計(jì)算原理及作圖過程3.3.13.3.2三結(jié)果分析四參考文獻(xiàn)

二設(shè)計(jì)正文（一）課程設(shè)計(jì)概述1.課程設(shè)計(jì)相關(guān)材料1.1關(guān)于Ti-6AL-4V和不銹鋼410Ti-6Al-4V是鈦合金牌號(hào)TC4的名義化學(xué)成分表示方法。參考標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T3620.1-2007鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》。主要成分：Al：5.5%-6.75%，V：3.5%-4.5%，余量為Ti。410不銹鋼是按照htm"美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出的不銹鋼牌號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)21Cr13不銹鋼材,S41000（美國(guó)AISI，ASTM）。含炭0.01%,含鉻0.13%,410不銹鋼:具有良好的耐蝕性、機(jī)械加工性，一般用途刃類，閥門類。410不銹鋼熱處理：固溶處理（℃）800-9000緩冷750快冷。410不銹鋼化學(xué)成份：C≤0.15,Si≤1.00,Mn≤1.00,P≤0.035,S≤0.030,Cr=11.50~13.501.1鈦合金與不銹鋼連接的現(xiàn)實(shí)意義鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重耍金屬，具有比強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、韌性好、導(dǎo)熱性能好和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有良好的耐腐蝕性能，能在大多數(shù)酸、堿、鹽及海水中不腐蝕；鈦合金可在600cC以上的溫度下工作，在同樣的工作溫度范圍內(nèi)，與鋼、鎳合金、鋁合會(huì)相比，鈦合金的比強(qiáng)度要高很多。鈦不僅成功地取代了易到嚴(yán)重腐蝕的不銹鋼、銅合金以及鎳基合金等材料，而且已成為實(shí)現(xiàn)某些新工藝流程和新技術(shù)的關(guān)鍵部分但其價(jià)格昂貴，從而影響了鈦及其合金在我國(guó)國(guó)防工業(yè)中的推廣應(yīng)用[1]。而不銹鋼是最常用的結(jié)構(gòu)材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如力學(xué)性能、焊接性、熱穩(wěn)定性等，且成本相對(duì)較低。然而鋼鐵的耐蝕性能遠(yuǎn)不如鈦合金，且鋼的比重較大[2]。鈦合金與不銹鋼的復(fù)合構(gòu)件,具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性,在航空航天、石油化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用前景[3]。因此，在某些情況下需要將鋼與鈦連接起來使用，以充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。研究鈦及鈦合金與不銹鋼的焊接，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)效益因此，開展這方面的研究，無論是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從使用性能角度都是非常必要的，具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的意義。1.1鈦及鈦合金／鋼的焊接性分析(1)鈦合金與不銹鋼的物理和化學(xué)性能差異顯著，連接時(shí)易在接頭處形成脆性相和較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致接頭極易開裂。鈦及鈦合金與鋼在密度、比熱、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能和力學(xué)性能均有較大差異即使在固態(tài)連接方法下，由于線膨脹系數(shù)差別較大，也會(huì)在焊接接頭中引起較大焊接的殘余應(yīng)力，降低接頭性能。(2)鈦的化學(xué)活性強(qiáng)，隨著溫度的增高，其化學(xué)活性也迅速增加，鈦具有較強(qiáng)的吸收氣體的特性，在高溫對(duì)氧、氮、氫有較高的化學(xué)親和力，易形成脆性化合物，使強(qiáng)度顯著提高，而塑性和韌性急劇下降，顯著地增加脆性斷裂傾向及裂紋形成。鈦還易與許多其它金屬形成金屬間化合物，鈦與鐵易形成金屬間化合物TiFe和TiF2b1[4]。（3）鈦及鈦合金與鋼的物理性能以及結(jié)晶化學(xué)性能均相差較大，焊接時(shí)易在焊縫中形成多種脆性金屬間化合物及碳化物，因此焊縫很脆，加上鈦／鋼接頭因熱膨脹系數(shù)相差較大而存在較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致接頭極易開裂。即使在固態(tài)下焊接，由于母材組元的相互擴(kuò)散和遷移，也會(huì)在結(jié)合面附近形成一個(gè)金屬間化合物和碳化物的薄層，從而導(dǎo)致接頭脆斷。因此，必須選擇合適的焊接方法來進(jìn)行鈦及鈦合金與不銹鋼的連接。目擴(kuò)散連接技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)同種材料的牢固連接，對(duì)異種材料的連接也是比較理想的，特別是對(duì)性能差別大、不互溶、相互間易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的異種材料，擴(kuò)散連接與其它方法相比較優(yōu)點(diǎn)更為突出，該技術(shù)在俄、日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家得到了深入研究，在航天、航空以及軍事、原子能方面得到了廣泛應(yīng)用，而我國(guó)過去在這一方面的研究工作不夠深入，近幾年有了一定的發(fā)展。由于鈦與鐵、碳易形成脆性相，故鈦及鈦合金與鋼直接連接接頭的韌性一般較差，為了提高接頭的強(qiáng)韌性，就必須抑制界面金屬間化合物的生成及成長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)外主要從改善工藝參數(shù)和焊接方法著手研究。為了防止或避免焊接時(shí)界面處形成金屬間化合物，可采用中間過渡層的方法[5]。2．本課程設(shè)計(jì)的目的及意義（1）.理解掌握擴(kuò)散的理論（2）.學(xué)會(huì)用擴(kuò)散公式計(jì)算某元素隨溫度及時(shí)間的擴(kuò)散距離（3）.根據(jù)計(jì)算結(jié)果作圖，找出最佳工藝參數(shù)(二）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1.擴(kuò)散連接的基本概念及特征1.1擴(kuò)散連接的基本概念擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下將兩種待焊金屬的焊接表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過焊接面產(chǎn)生微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，使之距離達(dá)（1～5）×10-8cm以內(nèi)（這樣原子間的引力起作用，才可能形成金屬鍵），再經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的原子相互間的不斷擴(kuò)散，相互滲透，來實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種焊接方法。1.2擴(kuò)散焊的工藝特點(diǎn)擴(kuò)散焊一般以間接熱能為能源，通常是在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行。焊接時(shí)使兩被焊工件的表面在高溫和較大壓力下接觸并保溫一段時(shí)間，以達(dá)到原子間距離，經(jīng)過原子相互擴(kuò)散而接合。焊前不僅需要清洗工件表面的氧化物等雜質(zhì)，而且表面粗糙度要低于一定值才能保證焊接質(zhì)量，使用這種焊接方法時(shí)接合面間可預(yù)置填充金屬。擴(kuò)散焊對(duì)被焊材料的性能幾乎不產(chǎn)生有害作用，可以用來焊接很多同種和異種金屬以及一些非金屬材料，如陶瓷等，并且可以焊接復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及厚度相差很大的工件。1.3擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)1、溫度溫度是擴(kuò)散焊最重要的工藝參數(shù)，溫度的微小變化會(huì)使擴(kuò)散焊速度產(chǎn)生較大的變化。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度愈高，擴(kuò)散過程愈快，所獲得的接頭強(qiáng)度也高。從這點(diǎn)考慮，應(yīng)盡可能選用較高的擴(kuò)散焊溫度。但加熱溫度受被焊工件和夾具的高溫強(qiáng)度，工件的相變、再結(jié)晶等冶金特性所限制，而且溫度高于一定值之后再提高時(shí)，接頭質(zhì)量提高不多，有時(shí)反而下降。對(duì)許多金屬和合金，擴(kuò)散焊溫度為0.6~0.8Tm（K），Tm為母材熔點(diǎn)；對(duì)出現(xiàn)液相的擴(kuò)散焊，加熱溫度比中間層材料熔點(diǎn)或共晶反應(yīng)溫度稍高一些。液相填充間隙后的等溫凝固和均勻化擴(kuò)散溫度可略為下降。2、壓力在其它參數(shù)固定時(shí)，采用較高壓力能產(chǎn)生較好的接頭。壓力上限取決于對(duì)焊件總體變形量的限度，設(shè)備噸位等。對(duì)于異種金屬擴(kuò)散焊，采用較大的壓力對(duì)減少或防止擴(kuò)散孔洞有作用。除熱等靜壓擴(kuò)散焊外通常擴(kuò)散焊壓力在0.5~50MPa之間選擇。對(duì)出現(xiàn)液相的擴(kuò)散焊可以選用較低一些的壓力。壓力過大時(shí)，在某些情況下可能導(dǎo)致液態(tài)金屬被擠出，使接頭成分失控。由于擴(kuò)散壓力對(duì)第二、三階段影響較小，在固態(tài)擴(kuò)散焊時(shí)允許在后期將壓力減小，以便減小工件變形。3、擴(kuò)散時(shí)間擴(kuò)散時(shí)間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時(shí)間。在該焊接時(shí)間內(nèi)必須保證擴(kuò)散過程全部完成，以達(dá)到所需的強(qiáng)度。擴(kuò)散時(shí)間過短，則接頭強(qiáng)度達(dá)不到穩(wěn)定的、與母材相等的強(qiáng)度。但過高的高溫高壓持續(xù)時(shí)間，對(duì)接頭質(zhì)量不起任何進(jìn)一步提高的作用，反而會(huì)使母材晶粒長(zhǎng)大。對(duì)可能形成脆性金屬間化合物的接頭，應(yīng)控制擴(kuò)散時(shí)間以求控制脆性層的厚度，使之不影響接頭性能。擴(kuò)散焊時(shí)間并非一個(gè)獨(dú)立參數(shù)，它與溫度、壓力是密切相關(guān)的。溫度較高或壓力較大，則時(shí)間可以縮短。對(duì)于加中間層的擴(kuò)散焊，焊接時(shí)間取決于中間層厚度和對(duì)接頭成分組織均勻度的要求(包括脆性相的允許量)。實(shí)際焊接過程中，焊接時(shí)間可在一個(gè)非常寬的范圍內(nèi)變化。采用某種工藝參數(shù)時(shí)，焊接時(shí)間有數(shù)分鐘即足夠，而用另一種工藝參數(shù)時(shí)則需數(shù)小時(shí)。4、保護(hù)氣氛焊接保護(hù)氣氛純度、流量、壓力或真空度、漏氣率均會(huì)影響擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量。常用保護(hù)氣體是氬氣，常用真空度為(1—20)X10—3Pa。對(duì)有些材料也可用高純氮、氫或氦氣。在超塑成形和擴(kuò)散焊組合工藝中常用氬氣氛負(fù)壓(低真空)保護(hù)金屬板表面。另外，冷卻過程中有相變的材料以及陶瓷類脆性材料擴(kuò)散焊時(shí)，加熱和冷卻速度應(yīng)加以控制。共晶反應(yīng)擴(kuò)散中，加熱速度過慢，則會(huì)因擴(kuò)散而使接觸面上成分變化，影響熔融共晶成。2擴(kuò)散焊的擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散焊是在金屬不熔化的情況下，形成焊接接頭，這就必須使兩待焊表面接觸距離達(dá)到1%微米以內(nèi)，這樣原子間的引力才起作用，并形成金屬鍵，獲得一定強(qiáng)度的接頭。（1）第一階段：變形和交接面的形成。在溫度和壓力的作用下，粗糙表面的微觀凸起部位首先接觸和變形，在變形中表面氧化層被擠破，吸附層被擠開，從而達(dá)到緊密接觸，形成金屬鍵連接。隨著變形加劇，接觸區(qū)擴(kuò)大，最終在表面形成晶粒間的連接。而未接觸區(qū)形成"孔洞"殘留在界面上。同時(shí)，由于相變和位錯(cuò)等因素，表面上產(chǎn)生"微凸"，這些"微凸"又是形成金屬鍵的"活化中心"。（2）第二階段：晶界遷移和微孔的削除。通過表面和界面原子擴(kuò)散和再結(jié)晶，使界面晶界發(fā)生遷移，界面上第一階段留下的孔洞漸漸變小，繼而大部分孔洞在界面上消失，形成了焊縫。（3）第三階段：體積擴(kuò)散、微孔和界面消失。在形成焊縫后，原子擴(kuò)散向縱深發(fā)展，出現(xiàn)所謂"體"擴(kuò)散，隨著"體"擴(kuò)散的進(jìn)行，原始界面完全消失，界面上殘留的微孔也消失，在界面處達(dá)到冶金連接，接頭成分趨向均勻。在擴(kuò)散焊的過程中，上述三個(gè)階段依次連續(xù)進(jìn)行。擴(kuò)散焊質(zhì)量與焊件表面質(zhì)量有緊密的聯(lián)系，表面質(zhì)量的關(guān)鍵是焊件表面氧化膜的去除。一般通過擠破、溶解和球化聚集作用去除，而這兩種方式是一個(gè)需要溫度和時(shí)間的擴(kuò)散過程。3擴(kuò)散連接相關(guān)公式及推導(dǎo)3.1菲克第一和第二定律在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量Diffusionflux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。這就是菲克第一定律，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中,D稱為擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)，C為擴(kuò)散物質(zhì)（組元）的體積濃度(原子數(shù)/m或kg/m)，dC/dx為濃度梯度，“–”號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即擴(kuò)散組元由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散通量J的單位是kg/m^2·s。菲克第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，即將代入上式，得

······（2）這就是菲克第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。如果擴(kuò)散系數(shù)D與濃度無關(guān)，則該式可以寫成

······（3）上式中，C為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m),t為擴(kuò)散時(shí)間(s),x為距離(m)。實(shí)際上，固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)D是隨濃度變化的，為了使求解擴(kuò)散方程簡(jiǎn)單些，往往近似地把D看作恒量處理。對(duì)于符合假定條件的恒定源半無限大物體中的擴(kuò)散，其初始條件為t=0，x≥0則c=0邊界條件為t>0,x=0則c=CSx=∞則c=0對(duì)于題目中所涉及的擴(kuò)散，C/CS=ERFC(x/2√Dt)3.2擴(kuò)散系數(shù)D的公式擴(kuò)散系數(shù)(Diffusioncoefficient)D是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，它相當(dāng)于濃度梯度為1時(shí)的擴(kuò)散通量，D值越大則擴(kuò)散越快。對(duì)于固態(tài)金屬中的擴(kuò)散，D值都是很小的，例如，1000℃時(shí)碳在r-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)D僅為10m^2/s數(shù)量級(jí)[6]由擴(kuò)散第一定律可知，在濃度梯度一定時(shí)，原子擴(kuò)散僅取決于擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于典型的原子擴(kuò)散過程，D符合Arrhenius公式D=D0exp【-Q/RT】。式中，D0是頻率因子，Q為擴(kuò)散激活能，R為氣體常數(shù)。D的大小取決于D0、Q、T，凡是能改變著三個(gè)參數(shù)的因素都將改變擴(kuò)散過程。3.3計(jì)算原理及作圖過程3.3.1已知溫度、擴(kuò)散常數(shù)D0、擴(kuò)散激活能Q，則可以通過公式D=D0*EXP(-Q*1000/D0/8.314)，進(jìn)行計(jì)算。擴(kuò)散物被擴(kuò)散物溫度/KD。m2/sQkJ/molDm2/sDum2/sNi41011234.20E-032681.4361E-150.00143610411734.20E-032684.88159E-150.00488158912234.20E-032681.50137E-140.01501370712734.20E-032684.22752E-140.042275213410Ni11231.00E-042693.072E-173.072E-0511731.00E-042691.04901E-160.00010490112231.00E-042693.23986E-160.00032398612731.00E-042699.15804E-160.000915804NbTi11235.00E-071421.24113E-130.12411293511735.00E-071241.50297E-121.50296942312235.00E-071242.52759E-122.52759387412735.00E-071244.08066E-124.080657843TiNb11234.00E-053702.46292E-222.46292E-1011734.00E-053701.33372E-211.33372E-0912234.00E-053706.29065E-216.29065E-0912734.00E-053702.62669E-202.62669E-083.3.2由公式C/CS=ERFC(x/2√Dt)，可做出以下圖表進(jìn)行計(jì)算。由excel圖表數(shù)據(jù)，可以通過origin進(jìn)行曲線繪制由此，可以進(jìn)行計(jì)算、作圖。分別計(jì)算Ti、Nb、410之間在1.8ks2.7ks3.6ks4.5ks和1123k1173k1213k1273k時(shí)的擴(kuò)散距離與濃度梯度的關(guān)系，做出圖形如下。

圖1鈦合金向Nb原子側(cè)在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線(c)3.6ks(d)4.5ks(a)1.8ks(b)2.7ks

(a)1123k(b)1173k圖1鈦合金向Nb原子側(cè)在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線(c)3.6ks(d)4.5ks(a)1.8ks(b)2.7ks(a)1123k(b)1173k(c)1223k(d)1273k圖2鈦合金向Nb原子側(cè)在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(a)1.8ks(b)2.7ks(a)1.8ks(b)2.7ks圖3Nb圖3Nb原子向鈦合金側(cè)在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線(c)3.6ks(d)4.5ks

圖4Nb原子向鈦合金側(cè)在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(c)1223k(d)1273k(a)1123k(b)1173k

(a)1.8ks(b)2.7ks圖4Nb原子向鈦合金側(cè)在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(c)1223k(d)1273k(a)1123k(b)1173k(a)1.8ks(b)2.7ks(c)3.6ks(d)4.5ks(c)3.6ks(d)4.5ks圖圖5Nb原子向410在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線

圖6Nb原子向410在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(c)2123kd)2173k(a)1123k(b)1173k

圖7410向Nb原子在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線(c)3.6ks(d)4.5ks(a)1.8ks(b)2.7ks

(a)1223k(b)1273k圖8410圖6Nb原子向410在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(c)2123kd)2173k(a)1123k(b)1173k圖7410向Nb原子在同一時(shí)間不同溫度下擴(kuò)散的理論曲線(c)3.6ks(d)4.5ks(a)1.8ks(b)2.7ks(a)1223k(b)1273k圖8410向Nb原子在同一溫度不同時(shí)間下擴(kuò)散的理論曲線(a)1123k