第四章扩散焊ppt课件.pptx

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1、第四章 扩散焊,机械与控制工程学院,9.1扩散连接机理9.1.1固相扩散连接基本原理9.1.2液相扩散连接基本原理9.1.3超塑成形扩散连接基本原理9.2扩散连接工艺9.2.1扩散连接的工艺特点9.2.2扩散连接工艺参数选择9.3常用材料的扩散连接9.3.1钛合金及其钛铝金属间的扩散连接.镍基高温合金的扩散连接.异种金属材料的扩散连接.陶瓷材料的扩散连接,.复合材料的扩散连接.扩散连接设备.扩散连接设备的分类.扩散连接设备的组成.典型扩散连接设备及工作原理,工艺特点,1)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。2)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

2、余应力。,4.1扩散焊原理及应用,4.1.1扩散焊的概念及特点,工艺特点,3)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。4)精度高，变形小，精密接合。5)可以进行大面积板及圆柱的连接。6)采用中间层可减少残余应力。,4.1扩散焊原理及应用,工艺特点,1)无法进行连续式批量生产。2)时间长，成本高。3)对接合表面要求严格。4)设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。,4.1扩散焊原理及应用,9.1扩散连接机理,图-扩散连接分类简图,4.1扩散焊原理及应用,4.1.2扩散焊的分类,图-典型结构的超

3、塑性扩散连接a)单层加强构件b)双层加强结构c)多层夹层结构(三层)1上模密封压板2超塑性成形板坯3加强板4下成形模具5超塑性成形件6外层超塑性成形板坯7不连接涂层区(钇基或氮化硼)8内层板坯9超塑性成形的两层结构件10中间层板坯11超塑性成形的三层结构件,4.1扩散焊原理及应用,4.1.3扩散焊的应用,固相扩散连接基本原理,1.接头形成过程2.材料连接时的物理接触过程3.扩散连接时的化学反应,4.2扩散焊过程,4.2.1固态扩散焊接过程,图9-2扩散连接的三阶段模型a)凹凸不平的初始接触b)变形和形成部分界面阶段c)元素相互扩散和反应阶段d)体积扩散及微孔消除阶段,4.2扩散焊过程,2.材料

4、连接时的物理接触过程,(1)物理接触及氧化膜去除被连接面在真空中加热时，油脂逐渐分解和挥发，吸附的蒸气和各种气体分子被解吸下来。(2)氧化膜去除机制在一般真空度条件下，氧化膜去除有以下三种机制：1、钛镍型；2、钢铁型；3、铝合金型,4.2扩散焊过程,2.材料连接时的物理接触过程,(3)物理接触的形成扩散连接时表面的物理接触(使表面接近到原子间力的作用范围之内)是形成连接接头的必要条件。,4.2扩散焊过程,图9-3加压时间与表层变形量、变形速度之间的关系,4.2扩散焊过程,图9-4钛接头中物理接触面积与温度及时间的关系,4.2扩散焊过程,3.扩散连接时的化学反应,(1)原子的相互作用接触面形成时

5、，所产生的结合力不足以产生表面原子间的牢固连接，为了获得原子之间的牢固结合(形成金属键、共价键、离子键)，就必须激活表面上的原子。(2)扩散时的化学反应在异种材料特别是金属与非金属材料连接时，界面将发生化学反应。,4.2扩散焊过程,图9-5SiO2中硅与铝的置换反应a)反应产物溶解b)形成新相,4.2扩散焊过程,液相扩散连接基本原理,(1)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(0.1MPa左右)，或依靠工件自重使相互接触。(2)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)，

6、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)。(3)成分均匀化等温凝固形成的接头，成分很不均匀。,4.2扩散焊过程,4.2.2瞬间液相扩散焊接过程,图9-6瞬时液相扩散连接过程示意图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,4.2扩散焊过程,图-等温凝固过程中固液界面移动模型,4.2扩散焊过程,图9-8成分均匀化过程及元素的浓度分布变化,4.2扩散焊过程,接头形式设计,(1)接头的基本形式扩散连接的接头形式比熔化焊类型多，可进行复杂形状的接合，如平板、圆管、管、中空、T形及蜂窝结构均可进行扩散连接。(2)扩散连

7、接制造复合材料在纤维强化复合材料的制造过程中，常用的加工方法之一是扩散连接。,4.3扩散焊工艺参数,4.3.1焊前准备,图9-扩散连接的基本接头形式,4.3扩散焊工艺参数,焊件表面的制备与清理,(1)表面机械加工 平整光滑，机加工等加工出表面所需要的表面平面度和粗糙度，若采用加入软中间层的扩散焊或过渡液相的扩散焊，则粗糙度值可适当放宽。(2)表面净化处理 清除氧化膜、油及吸附物。多采用化学腐蚀方法。,扩散焊选择焊接工艺参数有以下基本原则：,(1)选择利于扩散的晶格 材料的同素异构转变对扩散速率有很大影响。(2)选择超塑性的母材(3)在中间层合金系中加入提高扩散系数的元素，提高扩散速率。(4)异

8、种材料焊接时，应降低焊接温度，可插入适当的中间层，以吸收应力、减小线膨胀。,4.3.2选择焊接参数的基本原则,扩散连接工艺参数选择,1.连接温度2.扩散连接时间3.连接压力4.环境气氛5.表面状态6.中间层选择,4.3扩散焊工艺参数,4.3.3工艺参数对焊接质量的影响,1、焊接温度,焊接温度越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好，焊接表面达到紧密接触所需的压力越小，所获得的的接头强度越高。但是，加热温度的提高要受到被焊材料的冶金和物理化学特性方面的限制。,4.3扩散焊工艺参数,图-SiC/Ti反应层厚度与温度及时间的关系,4.3扩散焊工艺参数,图-连接温度对锡青铜/Ti接头强度的影响,4.

9、3扩散焊工艺参数,2、焊接压力,扩散焊接时压力的主要作用是促使焊件表面产生塑性变形并达到紧密接触状态，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。,4.3扩散焊工艺参数,图-压力对接头弯曲强度的影响,4.3扩散焊工艺参数,3、焊接时间,又称保温时间，需要的保温时间与温度、压力、中间扩散层厚度、接头成分及组织均匀化要求密切相关，也受材料表面状态和中间层材料的影响。,4.3扩散焊工艺参数,图-扩散连接时间对铜钢接头性能的影响,4.3扩散焊工艺参数,4、环境气氛,扩散焊一般在真空或保护气氛下进行，真空度、保护气体纯度、流量和压力等均会影响扩散焊接头质量。,4.3扩散焊工艺参

10、数,图-连接环境对S/Al/S接头抗弯强度的影响,4.3扩散焊工艺参数,5.表面状态,(1)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。(2)表面清理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。,4.3扩散焊工艺参数,9017.tif,4.3扩散焊工艺参数,图-S-Al表面粗糙度对接头抗弯强度的影响,4.3扩散焊工艺参数,(1)中间层的作用(2)中间层的选择(3)固相扩散连接中间层材料在固相扩散连接中多用软质纯金属材料做中间层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、Al、Ag、Au及不锈钢。()液相扩散

11、连接中间层液相扩散连接时，除了要求中间层(钎料)具有上述性能以外，还要求与母材润湿性好、凝固时间短、含有加速扩散的元素(如硼、铍、硅等)。,4.3扩散焊工艺参数,6.中间层,(1)中间层的作用,1)改善表面接触，减小扩散连接时的压力。2)可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。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。4)可以降低连接温度，减少扩散连接时间。5)控制接头应力，提高接头强度。,4.3扩散焊工艺参数,(2)中间层的选择,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

12、出现的共晶相。4)不引起接头的电化学腐蚀。,4.3扩散焊工艺参数,图-SiC-金属界面的反应层厚度与接头强度的关系,4.3扩散焊工艺参数,扩散连接设备的分类,()按照真空度分类根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散连接设备分为四类，即低真空(.以上)、中真空(.)、高真空(P)焊机和低压或高压保护气体扩散焊机。()按照热源类型和加热方式分类进行扩散连接时，加热热源的选择取决于连接温度、工件的结构形状及大小。()其他分类方法根据真空室的数量，可以将扩散连接设备分为单室和多室两大类；根据真空连接的工位数(传力杆的数量)，又可分为单工位和多工位焊机；根据自动化程度，可分为手动、半自动和

13、自动程序控制三类。,4.4扩散焊设备,()真空系统真空系统包括真空室、机械泵、扩散泵、管路、切换阀门和真空计组成。()加热系统高频感应扩散焊接设备采用高频电源加热，工作频率为60500kHz，由于集肤效应的作用，该类频率区间的设备只能加热较小的工件。()加压系统为了使被连接件之间达到密切接触，扩散连接时要施加一定的压力。,4.4扩散焊设备,4.4.1真空扩散焊设备,()控制系统控制系统主要实现温度、压力、真空度及连接时间的控制，少数设备还可以实现位移测量及控制。()冷却系统为了防止设备在高温下损坏，应对扩散泵、感应加热线圈、电阻加热电极、辐射加热的炉体等按照要求通水冷却。,4.4扩散焊设备,4

14、.4.1真空扩散焊设备,图-感应加热扩散焊机原理示意图,4.4扩散焊设备,()电阻辐射加热真空扩散连接设备真空扩散焊机是最常用的扩散连接设备，结构原理如图-所示。()感应加热扩散连接设备图-是感应加热扩散焊机示意图，由高频电源和感应线圈构成加热系统，机械泵、扩散泵和真空室构成真空系统。()超塑成形-扩散连接设备此类设备是由压力机和专用加热炉组成，可分为两大类。()热等静压扩散焊设备近年来，为了制备致密性高的陶瓷及精密形状的构件，热等静压(简称)设备受到人们的重视。,4.4扩散焊设备,4.4.2电阻辐射加热真空扩散焊设备,图-电阻辐射加热真空扩散连接设备结构原理示意图下压头上压头加热器真空炉体传

15、力杆机架液压系统工件真空系统,4.4扩散焊设备,图-感应加热扩散连接设备照片,4.4扩散焊设备,4.4扩散焊设备,4.4.3超塑成形扩散焊设备,钛合金及其钛铝金属间的扩散连接,1.钛合金的扩散连接2.Ti3Al金属间化合物的扩散连接3.TiAl金属间化合物的扩散连接,4.5典型材料的扩散焊及其应用,4.5.1钛合金的扩散焊,钛合金及其钛铝金属间的扩散连接,钛及其合金扩散焊特点：1、焊件表面无需进行特殊的准备和控制；2、在真空或Ar气保护下进行；3、采用超塑成形扩散焊接；4、原始晶粒会影响接头质量。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,4.5.1钛合金的扩散焊,B9023.TIF,4.5典型材料的扩

16、散焊及其应用,B9024.TIF,4.5典型材料的扩散焊及其应用,B9025.TIF,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-超塑性成形扩散连接接头质量与压力及时间的关系(，真空度小于1.33Pa),4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-钛合金的晶粒度对连接时间和压力的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-TAl合金扩散连接时间,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-TAl合金扩散连接温度,4.5典型材料的扩散焊及其应用,9023.tif,4.5典型材料的扩散焊及其应用,9024.tif,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-不同温度下接头和母材的抗拉强度(连接条件：，.，15，真空度.),4.5典

17、型材料的扩散焊及其应用,镍基高温合金的扩散连接,.焊接温度高或压力大；.焊前准备要求高；.用纯镍做中间层；.扩散焊方法：直接扩散焊法，加中间层扩散焊法，液相扩散焊法。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,4.5.2镍合金的扩散焊,图-扩散连接参数对接头性能的影响(30)a)压力b)温度c)时间,4.5典型材料的扩散焊及其应用,高温合金的扩散连接,.焊接温度高；.焊接压力大；.焊前准备要求高；.以Ni-35%Co作中间层。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,4.5.3高温合金的扩散焊,图-高温合金及接头的持久强度母材接头,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-接头强度与中间层相对厚度的关系),4.5典型

18、材料的扩散焊及其应用,图-汽轮机动翼液相扩散连接过程示意图,4.5典型材料的扩散焊及其应用,陶瓷与金属材料的扩散连接,.常用异种金属的扩散连接.与金属的扩散连接,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.常用异种金属的扩散连接,()连接工艺在实际生产中，为了获得某些功能或减轻构件质量，经常需要将不同的金属材料进行连接，由于异种材料在物理性能和化学性能方面存在着很大差异，界面反应非常复杂，例如铝与不锈钢连接时，界面生成了、和等金属间化合物。()铝与不锈钢的热压扩散连接在航天器、制氧机设备中常常要求把铝合金管与不锈钢管(或钛合金)连接在一起，常用的接头形式如图-所示，图中为管的内径，为钢管或钛管的壁厚，为

19、铝合金的壁厚。()铜与钢的扩散连接飞机发动机的精密摩擦副、止动盘等构件要求将锡青铜与钢连在一起，该类材料采用熔焊容易产生气孔，采用钎焊方法会降低接头的抗腐蚀性能，因此，常常采用扩散连接。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-铝与不锈钢管热压扩散连接示意图)直径)直径)直径不锈钢或钛合金铝合金夹具垫块,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-铝加热温度与接头强度的关系(不锈钢在空气加热到),4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接温度对锡青铜钢接头强度的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.与金属的扩散连接,()与钢的扩散连接图-是不同连接温度下的接头的金相照片。()与的扩散连接在连接温度及连接压

20、力不变的条件下对进行扩散连接。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-接头的金相照片()，)，,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-反应层总厚度随时间的变化,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接温度对接头抗拉强度及反应层厚度的影响)对抗拉强度影响)对反应层厚度影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,陶瓷材料的扩散连接,.陶瓷扩散连接的主要问题.SiC陶瓷的扩散连接.Al2O3陶瓷与金属的扩散连接,4.5典型材料的扩散焊及其应用,4.5.4陶瓷扩散焊,.陶瓷扩散连接的主要问题,()界面存在很大的热应力陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属材料连接时，由于陶瓷与金属的线膨胀系数差别很大，在扩散连接或使用过程中，加

21、热和冷却时必然产生热应力，由于热应力的分布极不均匀，使接合界面产生应力集中，造成接头的承载性能下降。()容易生成脆性化合物由于陶瓷与金属的物理化学性能差别很大，连接时除存在着键型转换以外，还容易发生各种化学反应，在界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,陶瓷扩散连接的主要问题,()界面化合物很难进行定量分析在确定界面化合物时，由于一些轻元素(、等)的定量分析误差较大，需制备多种标准试件进行标定。()缺少数值模拟的基本数据由于陶瓷和金属钎焊及扩散连接时，界面容易出现多层化合物，这些化合物层很薄，对接头性能影响很大。,4.5典型材料的扩散焊及其应

22、用,.陶瓷的扩散连接,()采用中间层扩散连接陶瓷和中间层在扩散连接时发生了化学反应，在反应的初期阶段，界面生成了和，因的扩散比较快，在侧优先成长，而则在侧形成(图-)。()采用中间层扩散连接陶瓷在、的扩散连接条件下，与的界面发生了相互扩散，可以观察到不连续的反应区。()和的扩散连接,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-接头组织,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-反应产物随温度和时间的变化,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接温度对抗剪强度的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-39接头的高温强度,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接时间对接头抗剪强度的影响,4.5典型材料的扩散焊

23、及其应用,图-连接压力对接头抗剪强度的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.3陶瓷与金属的扩散连接,()采用金属中间层扩散连接陶瓷扩散连接陶瓷时，多采用金属中间层进行连接，常用的中间层有、钢、和，表-给出了连接条件和接头的抗拉强度。()陶瓷与的扩散连接在电子行业中，需要将电子元器件的Al2O3陶瓷基板与散热器连在一起，由于陶瓷和的熔点相差太大，因此采用共晶烧结工艺将陶瓷表面预先金属化，然后进行扩散连接。()陶瓷与的连接陶瓷与直接扩散连接时，除了连接温度对接头性能有影响以外，连接压力的影响如图-所示。,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接时间对接头强度的影响(),4.5典型材料的扩散焊及其

24、应用,图-连接温度对接头强度的影响(),4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-扩散连接时压力对接头抗弯强度的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.复合材料的扩散连接,.金属基复合材料的扩散连接.纤维增强基复合材料的扩散连接.复合材料的连接,4.5典型材料的扩散焊及其应用,9045.tif,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-连接温度对铝基复合材料接头抗拉强度的影响,4.5典型材料的扩散焊及其应用,图-组织随温度的变化),4.5典型材料的扩散焊及其应用,.纤维增强基复合材料的扩散连接,图-的试验温度和比强度的关系,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.复合材料的连接,图-连接温度对复合材料接头,4.5典型材料的扩散焊及其应用,.复合材料的连接,9050.tif,4.5典型材料的扩散焊及其应用,