瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展

第17卷第6期2003年12月　华　东　船　舶　工　业　学　院　学　报(自然科学版)Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition)Vo1117No16Dec.2003文章编号:1006-1088(2003)06-0042-06瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展初雅杰,翟建广,邹家生,陈　铮(华东船舶工业学院材料与环境工程系,江苏镇江212003)摘　要:综述了近年来国内外关于瞬间液相扩散连接数值模拟的研究现状,内容涉及了异种材料接头元素的扩散与反应层形成的模拟,接头变形与应力行为的模拟,并提出了要解决的问题,为今后的研究提供了一定的借鉴。

关键词:瞬间液相连接;数值模拟;元素扩散;残余应力中图分类号:TG453 文献标识码:AProgress of the R esearch in the Area of Numerical Simulation ofT ransient Liquid Phase Diff usion BondingCHU Y a2jie,ZHA I Jian2guang,ZO U Jia2sheng,CH EN Zheng(Dept.of Material and Environment Eng.,East China Shipbuilding Institute,Zhenjiang Jiangsu212003,China) Abstract:Reviews the present progress in numerical simulation of transient liquid phase diffusion bonding in recent years.The simulation of element diffusion and formation of reaction layers are discussed in detail. At the same time the simulation of residual stress of the bonding is involved.The problems to be solved are pointed out.It could be useful for the future research.K ey w ords:transient liquid phase bonding;numerical simulation;element diffusion;residual stress0　引　言 近年来,随着高温合金、陶瓷、复合材料等新材料的迅速发展,这些新材料的连接技术也越来越引起人们的关注。

虽然活性钎焊和固相扩散连接以各自的优点成为近年来新材料连接领域的研究热点,但这两种连接方法均有一定的局限性。

Peaslee和Boam于1952年首次提出了瞬间液相扩散连接(Tran2 sient Liquid Phase Diffusion Bonding,简称TL P扩散连接)方法[1]。

1974年,Duvall成功地进行了Ni基耐热合金的TL P扩散连接,随后TL P扩散连接方法在航空航天等领域得到了广泛的应用。

但是由于TL P扩散连接涉及材料、扩散、相变、界面反应、接头应力应变等方面,工艺参数多,虽然已进行了大量的实验研究,但对各种材料的连接机理认识尚不深入[2～4]。

一般认为,瞬间液相扩散连接过程的完成受中间层成分、厚度以及保温温度等因素的控制,元素的扩散起主要的作用,由于元素扩散是一个极缓慢的过程,实际构件中接合面间隙又并非一致,因此,为焊接一定的材料,从中间层合金元素的选择、成分的设计到最佳焊接工艺的确定,是一项工作量极大的工作,人们常使用计算机模拟瞬间液相扩散连接收稿日期:2003-04-11基金项目:江苏省自然科学基金项目(B K2002602)作者简介:初雅杰(1979-),男,山东烟台人,华东船舶工业学院硕士研究生。

过程来分析各种因素的影响。

本文试图对此进行综述,讨论界面元素扩散及反应层形成、接头残余应力分布数值模拟的研究现状及其发展趋势,为进一步研究提供理论指导。

1　瞬间液相扩散连接元素扩散及反应层形成的数值模拟瞬间液相扩散连接实际上提供了一种用钎焊的方法,获得具有固相扩散连接接头耐热特性的连接方法。

研究表明,TLP 扩散连接工艺可分为5个步骤:①中间层材料熔化并填充接合面;②固液界面处基体熔化,液相层增厚;③固态基体向液相中生长,发生等温凝固过程,液相层减薄;④等温凝固完成,形成固相接头;⑤接头区域成分均匀化。

扩散连接接头的模拟[5],主要有3个方面,但TLP 扩散连接过程中形成了液态合金,起到了类似钎料的作用,能够填充缝隙。

由于有液相参与,故大大加速了连接过程,降低了对连接表面加工精度的要求,有效地消除了固相扩散连接中难以消除的界面空洞,使扩散得以充分进行。

它的优点之一就是降低了材料表面制备要求,因此对界面空洞消失过程的机理模拟并不关键。

TLP 扩散连接的数值模拟主要是接头元素扩散及反应层形成的模拟和接头变形及应力行为的模拟。

目前,接头元素扩散及反应层形成的模拟主要针对异种材料进行。

异种材料扩散连接接头中往往会出现与基体材料性能不同的各种新相,脆性金属间化合物相的产生会弱化接头性能。

因此,研究扩散连接过程中脆性金属间化合物的形成和长大机理,进而对它进行控制,是异种材料连接的重要内容。

对于一个特定的陶瓷/金属接合体,人们从技术上广泛地研究了连接条件(温度、时间和压力等)对接头强度的影响规律,并发现这种影响往往是由于界面相互作用的不同所致。

一般而言,在热力学上,通常表现为形成不同的反应产物;在动力学上,则主要表现为界面反应层厚度的影响。

中尾等人则认为,控制反应层厚度是改善连接强度的关键。

影响陶瓷与金属之间的连接强度的因素很多,但主要是界面反应和残余应力的影响。

文献[6]曾根据合金元素扩散的理论,对接头元素分布进行了模拟,它们采用试验材料为耐热合金K5与耐热刚2Cr12NiMoV 进行扩散连接。

扩散的工艺参数:连接温度T =1273K 和1373K ,连接压力P =10MPa ,连接时间t =15min 。

各元素扩散系数见表1,实际元素浓度分布曲线与理论计算的分布曲线如图1所示。

T =1273K T =1373Ka )实际元素分布b )模拟元素分布图1　扩散连接元素浓度分布曲线Fig.1　Element distribution curve of diffusion由图1可以看出,模拟曲线与实际探针曲线较为接近,此扩散连接过程中的元素浓度分布模拟,能够较好反应元素的分布规律,可以为扩散连接工艺制定及中间层厚度的选择提供一定参考。

34第6期 初雅杰等:瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展表1　元素扩散系数Tab.1　Diffusion coefficient of element扩散系数Fe Al Ni D 1273K 3.6×10-118.43×10-12 4.96×10-10D 1373K 3.27×10-10 6.2×10-111.03×10-9Tien 和Yuning J 对Al -Cu 合金TL P 连接过程中的溶质分布做了详细的模拟[7～9],并建立了一维的数值模型。

柯黎明等人也作了相关的模拟[10],他们用计算机模拟了过渡液相扩散连接过程。

以纯镍为基体,以镍2硼合金作为中间夹层材料,进行了部分的计算。

在加热速度500K/s 的情况下,焊接温度、中间层厚度、硼含量对熔化及凝固的影响。

结果表明:①焊接温度上升,最大液相层厚度d 、稳态凝固速度均增加;在不同温度下完成等温凝固所需时间存在峰值(见图2)。

②随中间层厚度h 的提高,熔化速度、液相层最大厚度、等温凝固时间t s 均提高,但稳态凝固速度V p 下降(见图3)。

图2　温度对最大液相层厚度、凝固速度和时间的影响Fig.2E ffect of temperature on thickness ofliquid layer ,solidification rate and time 图3　中间层厚度对最大液相层厚度、凝固速度和时间的影响Fig.3　E ffect of interlayer thickness on thickness of liquid layer ,solidification rate and time这些研究初步表明,反应层厚度是影响陶瓷/金属间界面强度的重要参数。

因此,理想的耐热连接方法必须能控制高温使用时,反应层厚度不会明显增大。

扩散连接工艺是极其复杂的,影响接头的因素很多,特别是中间层厚度、连接温度、保温时间等,通过数值模拟可以找出各个因素对接头质量的影响。

2　接头变形与应力行为的模拟异种材料(包括异种金属、金属与陶瓷等)扩散连接后从高温冷却时,由于材料热膨胀系数不同且界面上存在相互约束,就会形成残余热应力。

这种热应力使得连接后在界面上形成裂纹,甚至导致断裂。

为了缓和残余应力,人们普遍采用在两材料之间插入一定厚度的中间层。

瞬间液相扩散连接正是采用了这种方法,如陶瓷/陶瓷和陶瓷/金属的瞬间液相扩散连接时,插入软质中间层效果非常显著[11～14]。

近年来,有限元法和边界元法已被广泛用于计算异种材料连接的界面残余应力和中间层选择与设计,但在如何评价残余应力的影响方面还很不完善,界面力学的建立和发展对解决陶瓷/金属连接中强度和残余应力方面的问题将起到不可忽略的作用。

在80年代末就有人用有限元法对带有中间层的接头应力进行了分析[15～18]。

Kuo 和Chen 用其它方法对此也进行了计算[19]。

Toyada 等用有限元法对于不同材料连接接头热应力问题作了系统、完整的分析和讨论。

而Munz D 等认为仅仅用有限元计算对于接头自由边缘的点不够精确。

1995年,他们把应力分布描述和有限元计算相结合,分析接头自由边缘热应力状况。

文献[20]采用非线性有限元程序包MARC7.2作为有限元数值模拟的软件环境,以TiAl 、Cu 作为母材,W 、Mo 、Ti 、Nb 等作为中间层进行接头残余应力分析,并提出了中间层的残余应力因子R f ,R f =Δα・E ・σ0.2・ω和中间层厚度因子T f ,T f =E σ0.2ωΔα1Δα2。

Δα是材料的热膨胀系数,E 44华东船舶工业学院学报(自然科学版)2003年为材料的弹性模量,σ0.2为材料的屈服极限,ω为材料的加工硬化系数,Δα1、Δα2,分别为中间层与两端母材的热膨胀系数差。