擴(kuò)散連接技術(shù)在異種材料連接中的運(yùn)用

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1、西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告課程名稱：擴(kuò)散與固態(tài)相變課程代號(hào)：任課教師：趙康論文/研究報(bào)告題目：擴(kuò)散連接技術(shù)在異種材料連接中的運(yùn)用完成日期：2012年10月30日學(xué)科：學(xué)號(hào)：1208050417姓名：劉明志成績(jī)：西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告擴(kuò)散連接技術(shù)在異種材料連接中的運(yùn)用摘要：近年來(lái)，新材料在生產(chǎn)中的應(yīng)用，經(jīng)常遇到這些材料本身或與其他材料的連接問題。一些新材料如陶瓷、金屬間化合物、非晶態(tài)材料及單晶合金等的可焊性差，用傳統(tǒng)熔焊方法，很難實(shí)現(xiàn)可靠的連接。隨著技術(shù)的發(fā)展，

2、一些特殊的高性能構(gòu)件的制造，往往要求把性能差別較大的異種材料，如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃等連接在一起，這也是傳統(tǒng)熔焊方法難以實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在不但要連接金屬，而且要連接非金屬，或金屬與非金屬。因此，連接所涉及的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)熔焊的概念。為了適應(yīng)這種要求，近年來(lái)作為固相連接的方法之一擴(kuò)散連接技術(shù)引起人們的重視，成為連接領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，正在飛速發(fā)展。本文主要介紹了擴(kuò)散連接技術(shù)的原理以及影響擴(kuò)散連接性能的諸因素，為分析研究具體的異種材料的擴(kuò)散連接提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：擴(kuò)散連接、固相擴(kuò)散、瞬時(shí)液相擴(kuò)散、中間層擴(kuò)散連

3、接是在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，連接界面原子間相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)的可靠連接。1擴(kuò)散連接方法特點(diǎn)1）擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)主要有：接合區(qū)域無(wú)凝固(鑄造)組織，不生成氣孔、宏觀裂紋等熔焊時(shí)的缺陷；同種材料接合時(shí)，可獲得與母材性能相同的接頭，幾乎不存在殘余應(yīng)力；可以實(shí)現(xiàn)難焊材料的連接，對(duì)于塑性差或熔點(diǎn)高的同種材料、互相不溶解或在熔焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生脆性金屬間化合物的異種材料（包括金屬與陶瓷），擴(kuò)散連接是可靠的連接方法之一；精度高，變形小，精密接合；可以進(jìn)行大面積板及圓柱的連接；采用中間層可減少殘余應(yīng)力。2）擴(kuò)散連接的缺點(diǎn)：無(wú)法進(jìn)行連續(xù)式

4、批量生產(chǎn)；時(shí)間長(zhǎng)，成本高；接合表面要求嚴(yán)格；設(shè)備一次性投資較大，且連接工件的尺寸受到設(shè)備的限制。3）擴(kuò)散連接的分類：西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告2擴(kuò)散連接的原理擴(kuò)散連接也是壓力焊一種變形，與常用壓力焊方法（冷壓焊、摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊）相同的是在連接過(guò)程中要施加一定的壓力，不同的主要在于溫度-壓力強(qiáng)度及過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。擴(kuò)散連接是零件整體連接的方法，這種連接接頭是在原子水平上形成的，它是相互接觸的表面，在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)一定時(shí)間后保證結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散，形成整體水

5、平上的可靠連接。2.1固相擴(kuò)散連接的原理固相擴(kuò)散連接主要由以下三個(gè)階段完成：第一階段為物理接觸階段，這是保證整個(gè)表面都可靠接觸，只有接觸面達(dá)到一定的距離，原子間才能相互作用形成原子間的結(jié)合，才能形成可靠的連接。在高溫下微觀不平的表面，在外加壓力的作用下，總有一些點(diǎn)首先達(dá)到塑性變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面逐漸增大，而達(dá)到整個(gè)面的可靠接觸。第二階段則是接觸表面的激活階段，物理接觸面積逐漸擴(kuò)大，在接觸界面的某些點(diǎn)處形成活化中心，在這個(gè)區(qū)域可以進(jìn)行局部化學(xué)反應(yīng)。接觸界面原子間的相互擴(kuò)散，形成牢固的結(jié)合層。第三階段是形成可靠

6、接頭階段，在接觸的部分形成的結(jié)合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠的連接接頭。擴(kuò)散連接的三階段模型示意圖如圖2：上述過(guò)程相互交叉進(jìn)行，最終在連接界面處由于擴(kuò)散、再結(jié)晶等生成固溶體及共晶體，有時(shí)生成金屬間化合物，形成可靠的連接接頭。該過(guò)程不但應(yīng)考慮擴(kuò)散過(guò)程，同時(shí)應(yīng)考慮界面生成物的性質(zhì)，如性能差別較大的兩種金屬，在高溫長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散時(shí)，界面極易生成脆性金屬間化合物，而使接頭性能變差。西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報(bào)告2.2液相擴(kuò)散連接基本原理液相擴(kuò)散連接方法自20世紀(jì)50年代以來(lái)，在彌散強(qiáng)化高溫合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、異種金屬

7、材料以及新型材料的連接中得到了大量應(yīng)用。該方法也稱瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接（TransientLiquitPhase），通常采用比母材熔點(diǎn)低的材料作中間夾層，在加熱到連接溫度時(shí)，中間層熔化，在結(jié)合面上形成瞬間液膜，在保溫過(guò)程中，隨著低熔點(diǎn)組元向母材的擴(kuò)散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經(jīng)一定時(shí)間的保溫而使成分均勻化。瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接過(guò)程示意圖如下圖3所示。a)形成液相b)低熔點(diǎn)元素向母材擴(kuò)散c)等溫凝固d)等溫凝固結(jié)束e)成分均勻化液相擴(kuò)散連接的過(guò)程主要由三個(gè)階段完成：第一階段是液相的生成，將中間擴(kuò)散夾層材料夾在被連接表面之間，

8、施加一定的壓力，或依靠工件自重使相互接觸。然后在無(wú)氧化或無(wú)污染的條件下加熱，當(dāng)加熱到連接溫度TB時(shí)，形成共晶液相（上圖a）。第二階段是等溫凝固過(guò)程，液相形成并充滿整個(gè)焊縫縫隙后，應(yīng)立即開始保溫，使液-固相之間進(jìn)行充分的擴(kuò)散，由于液相中使熔點(diǎn)降低的元素大量擴(kuò)散至母材內(nèi)（圖b），母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點(diǎn)逐漸升高而凝固，