耐蚀合金_碳钢热等静压扩散焊接反应层元素互扩散规律研究
热等静压扩散焊
热等静压扩散焊
热等静压扩散焊（Hot Isostatic Pressing Diffusion Bonding，HIP-DB）是一种金属焊接技术，将两个或多个金属材料通过加热和压力结合在一起，从而形成一个坚固的焊接接头。
热等静压扩散焊的过程包括以下几个步骤：
1. 准备工作：将要焊接的金属材料表面清洁干净，去除氧化层和污垢，以确保良好的接触和扩散。
2. 组装：将要焊接的金属材料按照设计要求组装在一起，并加入适量的焊接剂或金属粉末。
3. 加热：将组装好的金属材料放入专用的高温耐压容器中，施加高温和高压条件，使金属材料达到焊接温度，一般在材料的熔点附近。
4. 扩散：在高温和高压的条件下，金属材料开始扩散，原子在接触表面进行重新排列和交换，从而实现原子级的焊接。
5. 冷却：待扩散完成后，降温至室温，焊接接头冷却固化，形成坚固的焊缝。
热等静压扩散焊具有以下优点：
1. 高强度：由于焊接接头是原子级的扩散焊接，焊缝强度高，接近基材的强度。
2. 无气孔：焊接过程中，由于高温和高压条件，可将气体排除，从而形成无气孔的完整焊接接头。
3. 无局部变形：由于焊接过程中的均匀压力，几乎没有局部变形和应力集中现象。
4. 适用范围广：热等静压扩散焊适用于多种金属材料的焊接，包括难焊接的不同金属组合。
热等静压扩散焊在航天、航空、能源等领域有广泛应用，常用于制造高强度、高可靠性的焊接接头。
金属学与热处理8.2扩散定律
当t 0时，C
x 0
， C
x 0
0
当t 0时， C x 0
Q x2 c( x, t ) exp( ) 4 Dt 2 Dt
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8.3 影响扩散的因素
扩散是一个基本的动力学过程，对材料制备、加 工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中 性能衰减起着决定性的作用，对相应过程的控制，往 往从影响扩散速度的因素入手来控制，因此，掌握影 响扩散的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论 解决实际问题具有重要意义。
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基本概念
固体中原子的运动有两种不同的方式：一种为大量原子集 体的协同运动，或称机械运动；另一种为无规则的热运动， 其中包括热振动和跳跃迁移。
扩散：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移 它处的过程。 本质：原子无序跃迁的统计结果。（不是原子的定向移 动）。
1
扩散的分类
根据有无浓度变化
15
（1）温度
无论是间隙机制，还是空位机制，都遵循热激活规律，温 度提高，能超过能垒的几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也
越高，这些都是提高扩散系数的原因。扩散系数与温度 T 成指 数 关系。对固体中扩散型相
变、晶粒长大，化学热处 理有重要影响。例如：工 业渗碳：1027℃比927℃时， D增加三倍，即渗碳速度加 快三倍。
第八章-扩散
F ui x
当化学位降低的方向与浓度降低的方向相反，如溶质原子 的偏聚、调幅分解等，扩散表现为向浓度高的方向进行， 称为上坡扩散。
1.弹性应力作用下的扩散 金属晶体中存在弹性应力梯度时，将造成原子的扩散。 2.晶界的内吸附 如果溶质原子位于晶界上可使体系总能量降低，它们就会
扩散而聚集在晶界上，使得晶界上浓度比晶内高。 3.电场作用下的扩散
第二节 扩散机制
§8.2.1 间隙扩散（Interstitial diffusion）
间隙扩散是小的间隙原子， 扩散时由一个间隙位置跃 迁到另一个间隙位置。间 隙原子换位时，必须从基 体原子之间挤过去，这就 要求间隙原子具有足够的 激活能来克服基体原子造
成的势垒。
图 间隙扩散机制示意图
图 面心立方结构的八面体间隙及（100）间隙
§8.2.2 置换扩散
1.柯肯达尔效应 柯肯达尔（Kirkendall）于1947年首先用实验验证了置换
将伴随有相变过程的扩散，或者有新相产生的扩散称为反 应扩散或者相变扩散。
图 反应扩散时的相图（a）与对应的浓度分布（b）和相分布（c）
图 纯铁的表面氮化 （a）Fe-N相图 （b）相分布 （c）氮浓度分布
第三节 影响扩散的因素
§8.3.1温度
由扩散系数的表达式 D=D0exp(-Q/RT) ，可以看 出，温度对扩散的影响是 很大的。
D0和Q是随成分和晶体结 构变化而变化的，与温度 基本无关，常看作常数。 扩散系数与温度的变化就 是指数关系。
图 Na＋在NaCl中的扩散系数
关于扩散连接的文献综述
重庆理工大学本科生毕业设计（论文）文献综述论文题目：钛合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程姓名：学号：指导教师：完成日期：2015年1月20日瞬间液相扩散连接( TLP-DB) 方法以其独有的性能优势, 在先进材料连接领域得到广泛的重视和应用。
综述了瞬间液相扩散焊中接触熔化、液相均匀化、等温凝固以及固相成分均匀化阶段的理论模型及发展状况,并对现有模型进行了分析和讨论。
随着材料科学的发展，新材料不断涌现。
在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。
焊接异种金属的方法有很多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊、钎焊及瞬间液相扩散连接等。
钛合金与不锈钢的复合构件，能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补，在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业，具有非常广阔的应用前景。
钛合金与不锈钢焊接时，由于两者的物理化学性能相差较大，且容易形成硬而脆的金属间化合物，使得接头性能难以提高。
瞬间液相扩散连接作为先进的焊接技术，特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。
在瞬间液相扩散连接的过程中加入超声波振动，对焊接件施加纵向超声波，能够提高焊接的质量，缩短焊接的时间，提高焊接的效率。
各种新型材料, 如金属间化合物具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点使其成为极具潜力的高温结构材料, 其中钛合金是潜在的航空航天材料,但是, 金属间化合物的共同缺点: 室温塑性低和高温强度差制约了它们在生产实践中的应用; 现代复合材料, 具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、尺寸稳定、耐磨、抗震等优良性能, 其在航空、航天、军工等高技术领域具有极其广阔的应用前景, 但由于复合材料中基体与增强相之间物理、化学性能相差很大, 导致其焊接性很差, 很难获得理想的焊接接头; 陶瓷材料的塑性差, 冷加工困难, 难以制成大型或形状复杂的构件等, 因而这些材料都会不同程度受到实用化问题的挑战。
扩散连接原理.
5.中间层材料的选择
• 中间层材料是熔点低（但不低于扩散焊接温度），塑 性较好的金属，如铜、镍、铝、银等，或者与母材成 分接近的含有少量易扩散的低熔点元素的合金。一般 厚度为几十微米，以箔片地形式夹在待焊表面或采用 电镀、真空蒸镀、等离子喷涂的方式直接涂敷在待焊 件的表面，镀层厚度可以只有几微米。
。在该保温时间内必须保证扩散过程全部完成，
达到所需的结合强度。
① 时间太短：扩散焊接头达不到稳定的与母材相等
的强度。
② 时间过长：对扩散接头起不到进一步提高的作用
，反而会使母材的晶粒长大。
在一定的温度和压力下，初始阶段接头强度随时间 延长增加，但到达一定值后，不再随时间变化。
保温时间与温度、压 力是密切相关的，温 度较高或压力较大时 ，时间可以缩短。 在保证强度的条件下 ，保温时间越短越好 。
3.可焊接其他焊接方法难以焊接的焊件和材料，如
弥散强化合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合
材料等，特别适合于不同种类的金属、非金属及异
种材料的连接。
⒋作为一种高精密的连接方法，焊后焊件不变形，
可以实现机械加工后的精密装配连接。
缺点：
⒈焊件待焊表面的制备和装配要求较高。 ⒉焊接过程中焊接时间长，生产效率低。在某些情 况下还会产生一些晶粒过渡长大等现象。 ⒊无法进行连续式批量生产。 ⒋设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设 备的限制。
到利用超塑性材料的高延展性来加速界面的紧密
接触过程，由此发展了超塑性成形扩散焊方法。
原理：从连接初期的变形阶段，因为超塑性材料具
有低流变应力的特征，所以塑性变形能迅速在连 接界面附近发生，甚至有助于破坏材料表面的氧 化膜，因而大大加速了紧密接触过程，实际上， 真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性。 超塑性材料所具有的超细晶粒，大大增加了界面 区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔 洞与界面消失的过程。
焊接方法第8章压焊精简(扩散焊摩擦焊2)
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扩散连接技术
▪ 新材料如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合 金等等可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可靠的 连接。
▪ 一些特殊的高性能构件的制造，要求把性能差别较大 的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、金属 与玻璃等连接在一起--传统熔焊方法难以实现。
的陶瓷材料替代硬质合金，钴基高温合金等，但陶瓷 材料很难达到所需的韧性。
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搅拌摩擦焊过程
分为三个阶段：
• 搅拌头扎入阶段 • 搅拌头沿焊缝方
向行走阶段
• 搅拌头提起阶段
搅拌摩擦焊接过程
▪热影搅响 拌头扎入阶热段机影响是区将具有一定焊转核速区的搅拌头 ▪区 缓搅慢拌扎头入沿接焊合缝面方内，向在行扎走入阶过段程结搅束拌时头热必循须环向前 ▪ 温方搅度金拌达属头到施提最加起高挤阶。压段随作着用搅搅，拌拌搅头头拌与沿针焊焊的件缝旋界方转面向促间行使的走材摩，料擦流热动
▪ 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）可以实现难焊材料的连接。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。
热到输入循 搅不环 拌断温 头降度 后低迅 方速 的，下空因而降腔热。内循，环因最而高搅温拌度头降与低焊。件搅间拌的头摩 擦离作开用焊较件强后，摩在擦焊热缝输的.入终和端热形循成环一温个度匙较孔高。。
搅拌摩擦焊工艺
▪ 搅拌摩擦焊接参数主要
包括搅拌头转速n、焊接 速度v 、搅拌头仰角和轴
扩散连接原理
图7一6 扩散连接初期表面粗 糙度的下降
图7-7 钢扩散连接接头拉伸断口 的徽观形貌
(T=800℃，t =4min，P=16MPa)
图7一7为Cu短时扩散连 接接多拉伸断口形貌，图中 黑 色区域为未实现连接的区域 ，白色带状区域为连接好的 区域拉伸时形成的韧窝。材 料不同时，上述特征也会发 生变化。图7-8为钛、铁、不 锈钢和铝短时扩散连接后的 断口形貌，可以看出Ti、Fe 和不锈钢与Cu的情况类似， 但A1的断口上未能观察到连 接区，表明Al较难连接。
为了加速连接过程、降低对连接表面加工精度的要求 ，防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金 属间化合物等不利的冶金反应，减少或消除因线膨胀差异 引起的残余应力，采取在被连接材料之间加人另一种材料 的方法，如图7一2(c)，(d)所示。这种方法称为加中间扩散 夹层的扩散连接。
7.1 .3 扩散连接的研究与应用
这些新方法，不仅大大拓宽了扩散连接的适用范国. 促进了本身的发展，而且还解决了弥散强化的高温合金
蜗轮叶片、超音速飞机中钦合金构件的连接问题，使钛 合金在宇航工业中的应用取得了重要突破，获得了重大的 经济效益。特别是近年来随着各种新型结构材料(如陶瓷、 复合材料、金属间化合物等)的迅猛发展，在国际上又掀 起了扩散连接研究与应用的又一个高潮。
由于扩散连接所具的上述优点，因此，在发展初期 就受到国内外科学家们的高度重视。在20世纪20一30 年代就成为了日臻成熟与完善的连接方法。在发达国家， 扩散连接在尖端科学技术部门起着十分重要的作用，且扩 散连接已发展为一种高生产率的、在众多企业中获得广泛 应用的连接技术。50年代研究成功的瞬间液相扩散连接 获得美国专利70年代又开发了超塑性成形一扩散连接。
(2)扩散、晶界迁移和孔洞消失 与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用
第六讲扩散焊专题
a) 从经济角度考虑，应选择较低的压力; b) 通常扩散焊采用的压力在0.5~50MPa之间。 c) 对于异种金属扩散焊，较大的压力对减小或防止扩散孔洞
有良好作用。 d) 由于压力对扩散焊的第二、三阶段影响较小，在固态扩散
焊时可在后期将压力减小，以便减小工件的变形。
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回顾上节 内 容
扩散焊特点 扩散焊分类 扩散连接原理及机制 扩散焊工艺 扩散焊设备 其他扩散焊方法
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扩散焊的特点
与常用压力焊的相同点：不同点。
扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较 优缺点
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扩散焊的分类
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单晶硅和单晶硅扩散焊
不锈钢板和网
碳碳和铌合金
3、保温时间：与温度、压力、中间扩散层厚度和对接成分及组织 均匀化的要求密切相关，也受材料表面状态和中间层材料的影响。 扩散层深度或反应层厚度与扩散时间的平方根成正比。扩散连接 接头强度与保温时间的关系x=如k t下图所示。也存在一个临界保温时 间，接头强度、塑性、延伸率和冲击韧性与保温时间的关系均是 先增大到一定程度后趋于稳定
置换反应：活泼元素置换非活泼元素，如AlMg+SiO2，形成新相硅。
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扩散焊专题之二
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扩散焊工艺
工艺参数 主要包括温度、压力、时间、真空度以及焊件表面处理和中
间层材料的选择等，这些因素对扩散连接过程和接头质量有着极 其重要的影响。
1、温度：①对连接初期表面凸出部位塑性变形、扩散系数、表面 氧化物向母材内溶解及界面孔洞的消失过程等均产生影响；②也 决定了母材的相变、析出以及再结晶过程，从而直接或间接影响 到扩散连接过程及接头质量。温度越高，扩散系数越大；连接表 面达到紧密接触所需压力越小。但温度提高受到被焊材料冶金物 理特性方面的限制；提高加热温度还会造成母材软化及硬化
第六章 扩散
直接应用菲克第二定律解决实际扩散问题，往往很复杂。 但是有两条由菲克第二定律推导出来的结论却十分简单、 有用：
推论 （1）对于同一扩散系统、扩散系数D与 扩散时间t的乘积为一常数。
已知Cu在Al中的扩散系数D， 在500℃和600℃时分别为 4.8×10-14 m2/s和5.3×10-13 m2/s。假如一个工件在600℃ 需要处理10小时，如果在500℃处理，要达到同样的效果 则需要多少小时？ (Dt)500 = (Dt)600
三、扩散的热力学分析
1．扩散驱动力 浓度梯度有关的扩散：顺扩散（高浓度→低浓度），逆扩散 （低浓度→高浓度） 热力学：决定组元扩散流向的是化学位 浓度梯度与化学位梯度一致，顺扩散，成分趋于均匀，如铸 锭均匀化 浓度梯度与化学位梯度不一致，逆扩散，成分区域性不均匀， 如共析分解 i, j 两组元系统，组元的体积浓度为 Ci ， ni 为组元 i 的摩尔 数，M：组元i的摩尔质量。 C i c M n 则Ci=Mni， i i ，则 n i
渗碳层按齿廓分布的渗碳齿轮
1. 概述
实际上，金属的真空冶炼、材料的提纯、 铸件的凝固和成分均匀化、变形金属的回 复再结晶、相变、化学热处理、粉末冶金 或陶瓷材料的烧结等都受扩散影响 原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的 本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到 另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯 一方式。 扩散过程是传质过程。它是一个不可逆过 程，也是体系熵增过程。
§2.2 菲克第二定律
考虑如图所示的扩散系统， 扩散物质沿x方向通过横截面 积为A(=ΔyΔz)、长度为Δx的 微元体，假设流入微元体（x 处）和流出微元体（x+Δx处） 的扩散通量分别为Jx和Jx+Δx， 则在Δt时间内微元体中累积 的扩散物质量为
扩散的原理及主要应用
扩散的原理及主要应用1. 扩散原理扩散是一种物质传输的过程，其基本原理是物质由高浓度区域自发地向低浓度区域传播，直到达到平衡状态。
主要有以下几种扩散方式：•自由扩散：物质分子随机运动，通过相互碰撞传播，直到达到浓度均一的状态。
•表面扩散：物质在材料的表面上传播，通常发生在材料的晶界、孔隙或界面处。
•体扩散：物质通过固体材料内部的晶粒间传播，形成浓度梯度。
•液相扩散：物质通过液体传播，如溶质在溶液中的传播。
•气相扩散：物质通过气体传播，如气体分子在气相中的自由运动。
扩散的速率取决于浓度梯度、温度、材料性质和扩散距离等因素。
通常使用菲克定律描述扩散速率，即扩散通量和浓度梯度成正比。
2. 扩散的主要应用2.1. 材料科学领域扩散在材料科学领域有着广泛的应用，为研究材料的结构和性能提供了重要手段。
•材料合成：扩散可以用于合成新材料，如在固相反应中，原料物质通过扩散相互作用，形成新的化合物。
•相变研究：扩散在相变过程中起关键作用，如固态相变中，扩散可以影响相界面的移动和晶粒的长大。
•材料改性：通过控制扩散过程，可以改变材料的性能，如通过表面扩散在材料表面形成保护层，提高耐蚀性。
•扩散焊接：扩散焊接是一种金属焊接方法，通过金属之间的扩散作用实现接头的形成，具有高强度和高密度的特点。
2.2. 生物学领域在生物学领域，扩散在生物体内物质交换和生命过程中起着重要作用。
•细胞内扩散：细胞内许多生化反应和物质交换过程都依赖于扩散，如细胞膜上的离子和小分子物质的跨膜扩散。
•气体交换：在呼吸过程中，氧气和二氧化碳通过肺泡和血液中的扩散过程进行气体交换。
•养分吸收：在消化系统中，养分通过细胞膜上的扩散过程吸收到血液中，被输送到全身各个组织。
•药物传递：药物在体内的吸收、分布和代谢过程中往往涉及到扩散，影响药物的治疗效果和毒副作用。
2.3. 地球科学领域在地球科学研究中，扩散有助于解释地表和地下过程，并提供了理解自然界现象的基础。
扩散焊
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）扩散焊的接头形式设计
• 扩散焊接头的形式
比熔化焊类型多，
可进行复杂形状的
接合，如平板、圆
管、中空、T形及蜂
2020/窝4/5 结构均可进行扩
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
• 过厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接 头的物理、化学和力学性能。
• 中间层厚度在30~100μm时，以箔片的形式夹在待
焊接表面间。
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（3）阻焊剂
扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些区域被 扩散焊粘接在一起，需加阻焊剂。
1）熔点或软化点应高于焊接温度；
扩散焊
（3）中间层材料及选择
• 为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、 时间、压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊 接材料之间插入中间层。
• 中间层材料的特点 • 中间层的选用 • 阻焊剂
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
（1）中间层材料的特点
1）容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如 B、Be、Si等。
2．钢与钛的扩散焊接
• 采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应 添加中间层或复合填充材料。
• 中间层材料一般是V、Nb、Ta、Mo、Cu等， 复合填充材料有：V+Cu、Cu+Ni、 V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。
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异种金属特种焊接方法之 扩散焊
3．钢与铜及铜合金扩散焊接
焊接冶金学习题及答案
一.名词解释1.焊接：被焊工件的材质(同质或异质)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性的连接的工艺过程。
2.熔合比：在焊缝金属中局部融化的母材所占的比例称为熔合比。
3.交互结晶：熔合区附近加热到半融化状态基本金属的晶粒表面，非自发晶核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心生长，形成所谓交互结晶。
4.焊缝扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称扩散氢。
5.拘束度：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需的力。
6.熔敷系数：真正反映焊接生产率的指标。
7.熔敷比表面积：熔滴的表面积Ag与其质量pVg之比。
8.应力腐蚀：焊接构件，如容器，管道等在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生的一种延迟破坏现象，称为应力腐蚀裂纹。
9.层状撕裂：大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大的拉伸应力，如果钢中有较多的杂质，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。
10.在热裂纹：厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹为在热裂纹。
11.热影响区：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
12.热循环曲线：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到峰值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。
13.焊接线能量：热源功率q与焊接速度v之比。
二.简答1.氢对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氢量的主要措施是什么？a.氢脆，氢在室温附近使钢的塑性严重下降，b.白点，碳钢和低合金钢焊缝，如含氢量高常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色局部脆断点。
c.形成气孔，熔池吸收大量的氢，凝固时由于溶解度突然下降，使氢处于饱和状态，会产生氢气且不溶于液态金属，形成气泡产生气孔。
d.氢促使产生冷裂纹。
扩散焊
一般通过水循环系统进行冷却，防止系统过热。
A
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5、扩散焊工艺
(1) 工件待焊表面的制备和清理
a) 表面机加工
目的是为了获得平整光洁的表面，保证焊接间隙 极小，微观上紧密接触点尽可能的多。
对普通金属零件可采用精车、精刨(铣)和磨削加工， 通常使粗糙度Ra≤3.2μm，Ra大小的确定还与材料本 身的硬度有关,对硬度较高的材料，Ra应更小，对加 有软中间层的固相扩散焊和液相扩散焊，以及热等静 压扩散焊粗糙度要求可放宽。
实验采用搭接接头, 试样尺寸为 30mm ×10mm ×2mm , 搭
接长度为10mm。
(4)焊接工艺参数
实验在真空扩散炉中进行。真空度为110 ×10 - 2～1. 0 ×10
- 3Pa , 焊接温度 ( T) 为 820～900 ℃, 保温时间(t)为 20～100min ,
压力( P)为 0～011MPa。
TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺研究
(1)研究的意义
TiNi 形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性,及高的 比强度、 抗腐蚀、 抗磨损和良好的生物相容性等特点,广泛应用 于航空航天、 工业制造和医疗器械等领域。但是 TiNi 价格较贵 , 在实际应用中将其与性能优异、 价格低廉的不锈钢连接起来是降 低材料成本 ,扩大其应用范围的重要途径。
在化工设备制造中，制成了高3m、直径 1.8m的部件；
在原子能设备制造中，制成水冷反应堆燃 料元件；
在冶金工业中生产了复合板；
在机械制造中应用更为广泛。利用钛合金
超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用
日常生活中家用复合底锅(焊接后无需表面 处理)等等
A
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扩散焊技术
1）连接温度
DD0exE p/R ( )T
2）连接时间
SiC/Ti 反应层厚度与温度及时间的关系
x(2D)t0.5
3）连接压力
SiC-Nb 界面反应层厚度与时间的关系
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.
4）表面加工状态 5）连接气氛
6）中间层的选择
• 降低连接温度 • 减小连接压力 • 降低界面应力集中
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Si3N4-Al 表面粗糙度对接头弯曲强度的影响
境下加热至一定温 度，随后通过辊轧 力使连接界面的金 属发生塑性融合， 实现连接
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典型界面特征
优点： （1）焊接温度低，材料连接面无有害反应 （2）适合双金属与多金属的较大面积连接 （3）焊接速度较快
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典型焊接构件
不锈钢/钼 不锈钢/钛合金 不锈钢/铜合金 铝/钢 。。。。。
环境条件对 Si3N4/Al/Si3N4 接头
抗弯强度的影响
.
典型焊接构件
铝－钛 钛－不锈钢
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铝－铜 铝－不锈钢
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扩散焊
衍生技术：
（1）过渡液相扩散连接
（2）热轧扩散连接
（3）超塑性扩散连接
原理：Transient Liquid Phase Bonding 1）焊接温度达到中间层的熔点而使其熔化成液相，
或加热条件下，通过中间层金属与基体金属相互扩散， 达到低熔点共晶成分而形成液相共晶；
2）形成的共晶薄膜在较小压力下润湿母材，然后保 持恒定温度使中间层与母材之间的扩散继续进行，达到 最大液相量；
3）元素继续扩散，达到固、液相线之间的成分时开 始等温凝固；
4）完全凝固后经过均匀化，形成与母材组织成分一 致的焊接接头。
高强耐火钢中合金元素在焊接热循环作用下的偏聚行为
高强耐火钢中合金元素在焊接热循环作用下的偏聚行为一、引言高强耐火钢具有优异的耐热性、耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于冶金、化工等行业的高温设备中。
然而，在高温环境下，高强耐火钢的焊接接头容易出现开裂等问题。
这是由于焊接过程中合金元素在热循环作用下的偏聚行为所导致的。
因此，对高强耐火钢中合金元素在焊接热循环作用下的偏聚行为进行深入研究，对于提高高强耐火钢焊接接头的质量和可靠性具有重要意义。
二、高强耐火钢中合金元素及其作用1. 合金元素种类高强耐火钢中常见的合金元素包括铬、镍、钼、钒等。
其中，铬是最主要的合金元素，能够提高材料的抗氧化性和抗腐蚀性；镍能够提高材料的韧性和塑性；钼能够提高材料的硬度和抗拉伸性；钒能够提高材料的硬度和韧性。
2. 合金元素作用合金元素的加入能够改善高强耐火钢的耐热性、耐腐蚀性和机械性能。
其中，铬的作用最为显著，它能够形成一层致密的氧化物保护层，防止材料被氧化和腐蚀；镍的作用是增加材料的韧性和塑性，提高材料的抗冲击性；钼和钒能够提高材料的硬度和抗拉伸性。
三、焊接热循环作用下合金元素偏聚行为1. 焊接热循环作用焊接过程中，高强耐火钢受到了复杂的热循环作用。
首先，在焊接区域产生高温，然后迅速降温。
这种周期性的热循环会导致合金元素在材料中发生偏聚现象。
2. 合金元素偏聚行为在焊接过程中，由于高温区域内合金元素扩散速度大于低温区域内扩散速度，因此会导致合金元素向高温区域集聚。
这种现象称为偏聚。
偏聚会导致高温区域的合金元素含量增加，低温区域的合金元素含量减少，从而影响焊接接头的质量和可靠性。
四、合金元素偏聚行为机理1. 扩散机制合金元素在高强耐火钢中的扩散是通过晶间扩散和晶内扩散两种机制共同作用实现的。
其中，晶间扩散是指在晶界处发生的扩散，主要受到晶界能和温度等因素的影响；晶内扩散是指在晶体内部发生的扩散，主要受到温度和化学势等因素的影响。
2. 偏聚机理在焊接过程中，由于高温区域内合金元素的化学势较低，低温区域内合金元素的化学势较高，因此会导致合金元素向高温区域集聚。
扩散焊
(6) 结 论
(a)研究了工艺参数对 TiNi 与304不锈钢 异种材料扩 散焊接头强度的影响规律。随着连接温度的升高 , 接头的剪切强度先升高而后降低。保温时间和压 力所引起的接头剪切强度的变化呈相同的趋势。 (b) TiNi 和304 不锈钢扩散焊最佳工艺参数为:T=860 ℃, t =60min, P=0. 05MPa , 接头剪切最高强度为
第四章 扩散焊
1、原理
扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接 或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连 接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一
表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，
定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。
1
2、扩散焊的分类
1）同种材料扩散焊 不加中间层的两同种金属直接接触的扩散焊。这种类型的扩
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d)保护气氛
焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空度、漏气率 均会影响扩散焊接头质量。 常用保护气体是氢气，对有些材料也可用高纯氮、 氢或氮气。
在超塑成形扩散焊工艺中常用氩气氛保护钛板表面。在其他参
数相同的条件下，在真空中扩散焊比在常压保护氩气中所需的
扩散时间短。
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6、扩散焊接头质量检测与评价
3
3、扩散焊的特点
(1) 接头质量好； (2) 零件变形小；
(3) 可一次焊接多个接头；
(4) 可焊接大断面接头； (5) 可焊接其它焊接方法难于焊接的材料和工件； 优点 (6) 与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的技 术经济效益 (7) 零件待焊表面的制备和装配要求较高； (8) 焊接热循环时间长，生产率低； 不足 (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制 4 (10) 接头连接质量的无损检测手段尚不完善
热腐蚀过程氧与高温合金元素反应及其扩散 关键技术
热腐蚀过程氧与高温合金元素反应及其扩散关键技术全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：热腐蚀是指高温下金属材料与气体中的腐蚀物质发生反应，导致金属材料表面遭受腐蚀的一种现象。
热腐蚀引起了高温合金元素与氧气之间的反应及其扩散，对于高温合金材料的应用和性能有着重要的影响。
本文将对热腐蚀过程中氧与高温合金元素的反应及其扩散的关键技术进行探讨。
在高温环境下，金属材料容易与氧气发生氧化反应，形成氧化物。
高温合金材料中常用的元素如镍、钴、铬等，容易与氧气发生化学反应，形成氧化物，在高温下则容易发生热腐蚀。
热腐蚀主要是由氧化物的形成和扩散过程引起的。
氧与高温合金元素的反应及其扩散是研究热腐蚀行为和机制的重要内容。
氧化物的形成是热腐蚀过程中的第一步。
当金属表面暴露在氧气环境中时，金属表面的原子会与氧气中的氧原子结合形成氧化物。
氧化物主要包括氧化镍、氧化钴、氧化铬等。
氧化物的形成会导致金属表面的化学成分发生变化，使金属表面逐渐失去原有的性能，导致金属材料的腐蚀和损坏。
氧与高温合金元素的反应是热腐蚀过程中的关键环节。
高温合金材料中的元素与氧气发生反应的速率取决于反应的速率常数和反应的能垒。
在高温条件下，元素原子在金属表面迁移的活动性增加，促使元素与氧气更容易发生反应。
氧与高温合金元素反应生成氧化物的过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到原子的迁移、电子的转移等多种机制。
氧与高温合金元素的扩散是导致热腐蚀的另一个重要因素。
氧化物在金属表面形成后，会向金属内部扩散，使得金属材料整体遭受腐蚀。
氧与高温合金元素的扩散速率取决于氧化物的溶解度、原子扩散速率等因素。
扩散过程中，氧化物颗粒会沿晶界、孔隙等通道向金属内部扩散，导致金属内部也受到腐蚀。
针对氧与高温合金元素的反应及其扩散过程，研究人员提出了一系列关键技术来控制和减缓热腐蚀的发生。
首先是合金设计技术，通过改变高温合金材料的成分和结构，提高其抗氧化性能和抗腐蚀性能，减少氧化物的形成和扩散。
焊接接头的金属间化合物分析与评估
焊接接头的金属间化合物分析与评估焊接是一种常见的金属连接方式，通过热能将金属部件熔化并使其冷却后凝固，从而形成一个坚固的连接。
然而，焊接接头中的金属与基材之间常常会形成一种特殊的物质，即金属间化合物。
本文将对焊接接头中的金属间化合物进行分析与评估。
一、金属间化合物的形成机制焊接过程中，熔池中的金属与基材相互扩散，并发生化合反应，形成金属间化合物。
这种化合物的形成机制主要有以下几点：1. 扩散机制：焊接过程中金属离子在熔池中通过扩散聚集，与基材中的金属发生反应，形成金属间化合物。
2. 形核机制：焊接过程中，金属离子到达接头界面时，由于过饱和度高而形成过饱和团簇，然后发生核化反应，形成金属间化合物。
3. 相变机制：焊接过程中，金属由于温度变化引起相变，形成新的晶体结构以及金属间化合物。
二、金属间化合物的性质与影响焊接接头中的金属间化合物具有以下性质：1. 高硬度：金属间化合物通常具有较高的硬度，这是由于其晶格结构的特殊排列所致。
2. 脆性：金属间化合物通常具有较高的脆性，这是由于其晶格结构中存在较多的晶体缺陷所致。
3. 化学稳定性：金属间化合物通常具有较好的化学稳定性，能够抵抗腐蚀和氧化等环境因素的侵蚀。
金属间化合物对焊接接头的性能有着重要的影响：1. 强度：金属间化合物的形成可以增强焊接接头的强度，提高其抗拉强度与抗剪强度。
2. 脆性：金属间化合物的脆性特性可能导致焊接接头在受力时易发生开裂或断裂。
3. 耐腐蚀性：金属间化合物的化学稳定性能够提高焊接接头的耐腐蚀性，使其具有更长的使用寿命。
三、金属间化合物的分析方法为了准确评估焊接接头中的金属间化合物，需要采用适当的分析方法。
以下是常用的金属间化合物分析方法：1. 金相显微镜观察：通过金相显微镜观察焊接接头的横截面，可以清晰地分辨金属间化合物与母材的区别。
2. X射线衍射：利用X射线衍射技术可以得出金属间化合物的晶体结构以及其相对含量。
3. 扫描电子显微镜（SEM-EDS）：结合扫描电子显微镜和能谱分析技术，可以获得金属间化合物的形貌和元素组成。
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耐蚀合金/碳钢热等静压扩散焊接反应层元素互扩散规律研究Investigation on Elements Inter diffusion in Reaction Layer During H ip Betw een Corrosion resistant A lloy and Carbon Steel焦少阳,董建新,张麦仓,谢锡善(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)JIA O Shao yang,DONG Jian xin,ZH ANG M ai cang,XIE Xi shan (School of M aterials Science and Eng ineering,U niversity of Science and Technolog yBeijing,Beijing100083,China)摘要:利用动力学软件Dictr a中的单相扩散模型模拟计算耐蚀合金与碳钢热等静压扩散焊接结合界面附近的元素浓度分布,并根据热力学相图计算建立获得扩散反应层内微观组织与界面元素浓度分布之间的关系。
计算结果表明:该模拟方法能够准确描述热等静压扩散焊接过程中的元素浓度分布规律,同时能够预测扩散反应层内的微观组织变化。
在此基础上,利用这一模型计算得出温度和时间对扩散焊接过程中元素互扩散规律的影响,结合元素扩散距离与界面结合质量之间的关系,得到耐蚀合金与碳钢可以实现界面良好结合的工艺条件:1050 /200M Pa/2.5~3h,1100 /200M P a/ 1h,1150 /200M Pa/0.5h等。
关键词:热等静压;扩散焊接;结合界面;扩散距离中图分类号:T G495 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2009)12 0010 07Abstract:The elem ents distr ibutio n near interface during hot isostatic pressing(H IP)and diffusio n bonding w as simulated w ith DICT RA by sig nal phase model,and the relation betw een m icrostructur e in diffusio n reaction layer and elem ents distribution was co nstr ucted by equilibrium phase diagram cal culatio n.T he comparison betw een exper im etal and calculated results indicated that the simulatio n mo del and equilibrium phase diag ram calculation can ex actly describe the elements distribution law and predict microstructure variation near interface.M orever,the influence o f temperatur e and time on ele ment distribution law were simulated.A cco rding to the relations betw een elem ent diffusion distances and interface bonding quality,a series of proper processing parameter s w ere o btained,including 1050 /200M Pa/2 5 3h,1100 /200M Pa/1h,1150 /200M Pa/0.5h et al.Key words:H IP;diffusio n bo nding;bonding inter face;diffusion distance在热电行业,将耐蚀合金与碳钢进行复合,不仅可以降低耐蚀合金的使用成本,而且可以提高材料的强度,应用潜力非常大[1]。
目前针对耐蚀合金与碳钢进行的扩散焊接的研究[2-4],往往通过观察界面的微观组织来确定材料间实现良好结合的工艺条件。
在热等静压扩散焊接过程中,原子的扩散过程即金属键的形成过程,是决定结合界面组织、性能的关键[5,6],通过模拟计算界面附近的元素浓度分布,结合热力学平衡相图计算,可以得知界面附近不同位置的微观组织,进而也可以了解界面结合状况,但有关此方面的研究报道[6]却很少。
本工作在已有实验基础上,通过模拟不同工艺条件下的元素浓度分布和扩散距离,并将其与实验结果进行对比,获得合理的异种材料扩散焊接元素互扩散模型,同时利用相图计算得到界面元素浓度分布与扩散反应层内微观组织变化之间的关系,从而不仅确定了耐蚀合金与碳钢在扩散焊接过程中能够实现良好结合的工艺范围,而且也为其他类型的耐蚀合金或不锈钢与碳钢在热等静压下进行扩散焊接工艺的制定及优化提供了理论指导。
1 实验与模拟方法实验材料为耐蚀合金和碳钢,成分如表1所示,采用的热等静压条件为1100 /200M Pa/1h,并对结合界面两侧进行元素分布测试。
表1 实验合金化学成分(质量分数/%)T able 1 Chemical co mpo sition of t he testedalloy s (mass f ractio n/%)M aterial CSiM nNiCrM oFeCorrosion resistant alloy 0.0150.441.6030.626.6 3.29BalCarbon steel0.120.260.630.060.050.02BalDictr a 是一个模拟多元系统中扩散控制转变的软件包,该程序基于材料不同区域内多元扩散方程的数值解,求得不同温度、时间、压力下的元素浓度分布。
其主要原理包括[8,9]:J ~k =-ni =1iD nkjC jx=-ni =1C k M kk C j C j x(1)J k =J ~k -C kni=1J ~i(2) C k t + J kx=0(3)式中:J ~k 为组元k 在点阵坐标系中的秉性扩散流量;D kj n 为和组元k 秉性扩散流量有关的一组秉性扩散系数;C k 为组元k 的摩尔分数浓度; k 为组元k 的化学势;M k 为组元k 的迁移率; k / C j 表示j 组元摩尔分数浓度对组元k 化学势的影响率;J k 为组元k 在实验坐标系中的互扩散流量。
式(1)表示点阵坐标系中组元k 的秉性扩散流量;式(2)表示实验坐标系中组元k 的互扩散流量;式(3)为菲克第二定律,表示组元k 在局部单位时间、单位体积的物质变化量等于该处浓度随时间的变化率。
在实际模拟计算过程中,需要调用两个数据库。
一个是热力学数据库,通过利用系统中各相的热力学特征函数,建立热力学模型,计算设定条件下各组元的化学势;另一个是动力学数据库,通过利用系统中储存的原子迁移率M ,计算设定条件下的秉性扩散系数矩阵。
根据相应条件下的热力学数据和动力学数据,可以直接计算得到点阵坐标系中的秉性扩散流量,但是菲克第二定律仅在实验坐标系中成立,因此需要利用式(2)求解得到实验坐标系中的互扩散流量,最终通过对式(3)的求解得到不同温度、不同时间下的元素浓度分布。
2 结果与讨论图1为耐蚀合金/碳钢在1100 /200M Pa/1h 的工艺条件下结合界面附近的微观组织及元素浓度分布曲线[7],图1a 左侧为耐蚀合金,右侧为碳钢,虚线表示原始结合界面,从图1中可以看出,在界面附近形成了异于两侧基体组织的扩散反应层,宽度约为20 m,同时界面无微观空洞、金属间化合物或碳化物的形成,表明结合良好;图1b 为元素浓度分布图,扩散距离为零处表示结合界面,小于零处表示耐蚀合金侧,大于零处表示碳钢侧,可以看出元素Fe,Ni,Cr 均发生了明显的互扩散,且在碳钢侧Cr 的扩散距离要比Ni 的扩散距离大,Cr 的扩散距离约为15 m,Ni 的扩散距离约为10 m。
图1 热等静压后结合界面附近SEM 形貌(a)和元素浓度分布(b)Fig.1 Close to th e bonding interface after H IP (a)SEM microstructu re;(b)concentration profilesDictr a 软件在模拟计算过程中需要选择合理的模型来进行计算。
模型主要包括两类:一类为单相模型,主要计算扩散区间为单一相,且在扩散区域内存在元素浓度差异时的扩散问题,包括合金的均匀化、渗碳等;另一类是存在相界面的移动界面模型,主要计算不同相之间的扩散问题,包括析出相长大及溶解,不同相材料间的扩散等,在该类模型计算中往往会随着扩散的进行相界面也发生移动。
在一定工艺条件下,若扩散偶两侧的材料为同相,则描述元素初始浓度分布时需采用成分突变函数;若扩散偶两侧的材料为异相,则描述元素初始浓度分布时需对界面两侧相的成分进行单独描述。
因此在模拟耐蚀合金与碳钢的扩散焊接过程中,需首先确定两种材料在模拟条件下的相是否相同,然后在此基础上选择适当的模型进行模拟。
利用热力学计算软件Ther mal Calc 计算得到的耐蚀合金及碳钢的平衡相图,如图2a,b 所示,可以看出耐蚀合金在1045~1326 为单相的奥氏体组织( ),随着温度降低部分奥氏体转变为铁素体(!),同时存在碳化物(M 23C 6)及金属间化合物(∀)的析出;碳钢在850~1468 为单相的奥氏体组织,随着温度降低到704 以下奥氏体组织将全部转变为铁素体,同时也存在碳化物的析出。
根据实验工艺条件,耐蚀合金与碳钢在1100 时均为奥氏体组织,因此应该利用单相模型中的成分突变函数来描述界面元素浓度分布的初始值,在此基础上对扩散焊接过程中的元素浓度分布进行模拟计算。
同时根据图1b 中的界面成分,取C 浓度为碳钢和耐蚀合金中C 含量的平均值0.07%(质量分数,下同),计算得到结合界面位置的平衡相图,如图2c 所示,可以看出,在1000~1400 界面位置的组织也为奥氏体组织,表明在1100 界面无脆性相形成,这与图1a 的实验结果相一致。
图2 平衡相图 (a)耐蚀合金;(b)碳钢;(c)结合界面Fig.2 T he equilibrium phase diagram (a)corrosion resistant alloy;(b)carbon steel;(c)interface图3为1100 /200M Pa/1h 结合界面处元素浓度分布。