压焊方法及设备第九章扩散连接.ppt

第9章 扩 散 连 接,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 ９.３.２ 镍基高温合金的扩散连接 ９.３.３ 异种金属材料的扩散连接 ９.３.４ 陶瓷材料的扩散连接,９.３.５ 复合材料的扩散连接 ９.４ 扩散连接设备 ９.４.１ 扩散连接设备的分类 ９.４.２ 扩散连接设备的组成 ９.４.３ 典型扩散连接设备及工作原理,9.1 扩散连接机理,图９-１ 扩散连接分类简图,9.1.1 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,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,2.材料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 (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图9-3 加压时间与表层变形量、,图9- 4 钛接头中物理接触面积与,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，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图9-5 Si中硅与铝的置换反应 a)反应产物溶解 b)形成新相,9.1.2 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９-６b)，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９-６c) (3)成分均匀化 等温凝固形成的接头，成分很不均匀。

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,图９-７ 等温凝固过程中固液界面移动模型,图9-8 成分均匀化过程及 元素的浓度分布变化,图９-９ 典型结构的超塑性扩散连接 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,9.2.1 扩散连接的工艺特点,1.工艺特点 2.接头形式设计,1.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，几乎不存在残余应力 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 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2.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图9-１０ 扩散连接的基本接头形式,9.2.2 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,图９-１１ SiC/Ti反应层厚度与 温度及时间的关系,图９-１２ 连接温度对锡青铜/Ti 接头强度的影响,图９-１３ 扩散连接时间对铜／钢 接头性能的影响,图９-１４ SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系,图９-１５ 压力对接头弯曲强度的影响,图９-１６ 连接环境对S/Al/S 接头抗弯强度的影响,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。

9017.tif,图９-１８ S-Al表面粗糙度对接头抗弯强度的影响,6.中间层选择,(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 (４)液相扩散连接中间层 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)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出现的共 4)不引起接头的电化学腐蚀9.3.1 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,B9023.TIF,B9024.TIF,B9025.TIF,图９-１９ 超塑性成形扩散连接接头 质量与压力及时间的关系 (Ｔ＝１２１２Ｋ，真空度小于1.33×１Pa),图９-２０ 钛合金的晶粒度对连接 时间和压力的影响,图９-２１ TAl合金扩散连接时间,图９-２２ TAl合金扩散连接温度,9023.tif,9024.tif,图９-２５ 不同温度下ＴｉＡｌ接头和 母材的抗拉强度 (连接条件：Ｔ＝１４７３Ｋ，ｔ＝３.８４ｋｓ，ｐ＝15ＭＰａ， 真空度２.６×１Ｐａ),９.３.２ 镍基高温合金的扩散连接,１.直接扩散连接 ２.加中间层的扩散连接 ３.液相扩散连接 ４.镍基高温合金扩散连接实例,图９-２６ 扩散连接参数对接头性能的影响(ＧＨ30４４) a)压力 b)温度 c)时间,图９-２７ 高温合金及接头的持久强度 １—母材 ２—接头,图９-２８ 接头强度与中间层相对厚度的关系 ａ)ｐ＝２０ＭＰａ ｂ)ｐ＝４０ＭＰａ １—１３２３Ｋ ２—１３６３Ｋ ３—１４０３Ｋ,图９-２９ 汽轮机动翼液相扩散连接过程示意图,９.３.３ 异种金属材料的扩散连接,１.常用异种金属的扩散连接 ２. ＴｉＡｌ与金属的扩散连接,１.常用异种金属的扩散连接,(１)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ＦｅＡｌ、ＦｅＡｌ３和Ｆｅ２Ａｌ５等金属间化合物。

(２)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９-３０所示，图中ｄ为管的内径，δ为钢管或钛管的壁厚，δＡｌ为铝合金的壁厚 (３)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，常常采用扩散连接图９-３０ 铝与不锈钢管热压扩散连接示意图 ａ)直径＜２０ｍｍ ｂ)直径＞２０ｍｍ ｃ)直径＞５０ｍｍ １—不锈钢或钛合金 ２—铝合金 ３—夹具 ４—垫块,图９-３１ 铝加热温度与接头强度的关系 (不锈钢在空气加热到５７３Ｋ),图９-３２ 连接温度对锡青铜／钢接头 强度的影响,２. ＴｉＡｌ与金属的扩散连接,(１)ＴｉＡｌ与４０Ｃｒ钢的扩散连接 图９-３３是不同连接温度下的ＴｉＡｌ／４０Ｃｒ接头的金相照片 (２)ＴｉＡｌ与Ｔｉ的扩散连接 在连接温度Ｔ＝１１２３Ｋ及连接压力ｐ＝５ＭＰａ不变的条件下对ＴｉＡｌ／Ｔｉ进行扩散连接图９-３３ ＴｉＡｌ／４０Ｃｒ接头的金相照片(×７５０) ａ)Ｔ＝１１７３Ｋ，ｔ＝３０ｍｉｎ ｂ)Ｔ＝１３２３Ｋ，ｔ＝３０ｍｉｎ,图９-３４ 反应层总厚度随时间的变化,图９-３５ 连接温度对ＴｉＡｌ／Ｔｉ接头抗拉强度及反应层厚度的影响 ａ)对抗拉强度影响 ｂ)对反应层厚度影响,９.３.４ 陶瓷材料的扩散连接,１.陶瓷扩散连接的主要问题 ２. ＳｉＣ陶瓷的扩散连接 ３. Ａｌ２Ｏ3陶瓷与金属的扩散连接,１.陶瓷扩散连接的主要问题,(１)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。

(２)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 (３)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(Ｃ、Ｎ、Ｂ等)的定量分析误差较大，需制备多种标准试件进行标定 (４)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２. ＳｉＣ陶瓷的扩散连接,(１)采用Ｔｉ中间层扩散连接ＳｉＣ陶瓷 ＳｉＣ和中间层Ｔｉ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ＴｉＣ和Ｔｉ５Ｓｉ３Ｃｘ，因Ｃ的扩散比较快，ＴｉＣ在Ｔｉ侧优先成长，而Ｔｉ５Ｓｉ３Ｃｘ则在ＳｉＣ侧形成(图９-３６) (２)采用Ｎｂ中间层扩散连接ＳｉＣ陶瓷 在１１１６Ｋ、３０ｍｉｎ的扩散连接条件下，ＳｉＣ与Ｎｂ的界面发生了相互扩散，可以观察到不连续的反应区 (３)ＳｉＣ和ＴｉＡｌ的扩散连接,图９-３６ ＳｉＣ／Ｔｉ／ＳｉＣ接头组织,图９-３７ 反应产物随温度和时间的变化,图９-３８ 连接温度对抗剪强度的影响,图９-39 ＳｉＣ／Ｔｉ／ＳｉＣ接头的高温强度,图９-４０ 连接时间对ＳｉＣ／Ｎｂ／ＳｉＣ 接头抗剪强度的影响,图９-４１ 连接压力对ＳｉＣ／ＴｉＡｌ接头 抗剪强度的影响,３. Ａｌ２Ｏ3陶瓷与金属的扩散连接,(１)采用金属中间层扩散连接Ａｌ２Ｏ３陶瓷 扩散连接Ａｌ２Ｏ３陶瓷时，多采用金属中间层进行连接，常用的中间层有Ａｌ、钢、Ｔｉ、Ｎｉ和Ｃｕ，表９-５给出了连接条件和接头的抗拉强度。

(２)Ａｌ２Ｏ３陶瓷与Ａｌ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Ａｌ散热器连在一起，由于Ａｌ２Ｏ３陶瓷和Ａｌ的熔点相差太大，因此采用共晶烧结Ｃｕ工艺将Ａｌ２Ｏ３陶瓷表面预先金属化，然后进行扩散连接 (３)Ａｌ２Ｏ３陶瓷与Ｐｔ的连接 Ａｌ２Ｏ３陶瓷与Ｐｔ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９-４４所示图９-４２ 连接时间对接头强度的 影响(Ｔ＝７７３Ｋ),图９-４３ 连接温度对接头强度的 影响(ｔ＝１２２６ｓ),图９-４４ Ａ-Ｐｔ扩散连接时压力对接头 抗弯强度的影响,９.３.５ 复合材。