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)

　

Vo1117No16

Dec.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:A

Progress of the R esearch in the Area of Numerical Simulation of

T ransient Liquid Phase Diff usion Bonding

CHU 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 stress

0　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 =1373K

a )

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。

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表1　元素扩散系数

Tab.1　Diffusion coefficient of element

扩散系数

Fe Al Ni D 1273

K 3.6×10-118.43×10-12 4.96×10-10D 1373K 3.27×10-10 6.2×10-11

1.03×10-9Tien 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 of

liquid 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。图4为X 对接头残余应力大小的影响(X =h/d ,h 为中间层厚度值,d 为试件的直径)

。

a )拉伸残余应力变化

b )剪切残余应力变化

图4　中间层的相对厚度对TiAl/钢接头残余应力的影响

(T =1073K ,P =20MPa ,t =30min )

Fig.4　E ffect of relative thickness of interlayer on residual stress distribution in TiAl/steel joint

从图4中分析可知:选择R f ,T f 较小的中间层可以降低接头的残余应力,提高接头强度,同时中间层的相对厚度应越小越好。但在实际应用中,发现并不是这样,他们认为,这是由于中间层在受力过程中,不能自由变形,而受到工件的限制。在扩散连接过程中,又有母材的合金元素向中间层扩散,引起中间层强化,这样就会造成扩散连接时接头性能与中间层受力过程中的行为有关,就是说接头性能与中间层的相对厚度有关,中间层有一定的强化系数,即:

σs =σis ?K

ασb =σib ?K

α式中:σs 为在接头中中间层的剪切强度;σis 为中间层的剪切强度;σb 为在接头中中间层的拉伸强度;σib 为中间层的拉伸强度;K α为强化系数。

K α=π

/4+1/(33/2?X )考虑到中间层的接触强化影响及被焊金属表面物理接触的形成要求,当选择中间层时,为降低接头的残余应力,应尽量选择R f 、T f 较小的中间层,同时中间层厚度应在能保障形成充分物理接触的前提下取较小的厚度。

70年代初,日本的上田幸雄等以有限元法为基础,对各向异性材料提出了考虑材料力学性能随温度变化的热弹塑性有限元理论,并导出了分析所需的各个表达式。后来大量的分析计算和实验研究均证实采用热弹塑性有限元法来进行整个焊接过程的力学行为模拟是完全可行的。热弹塑性分析考虑了金属的塑性变形对残余应力的影响,比线弹性分析结果更加接近实际,特别是进一步考虑材料性能(如热膨胀系数、弹性模量)与温度关系后,使计算结果更加准确。汪建华等人[21]对陶瓷金属扩散焊接的残余应力作了相关的模拟,采用三维热弹塑性有限元法对截面为4mm ×5mm 的方试件进行了残余应力分析,并与Ф5mm 圆棒试件的二维轴对称分析进行了比较。由于陶瓷与金属TL P 连接的温度很高,属于高温热弹塑性问题。弹塑性分析考虑了温度对材料性能的影响,分析时必须加以考虑。

计算表明:陶瓷部分的最大拉伸应力位置刚好与其开裂处一致,其断裂面呈抛物线状也与相应的主应力方向吻合(见图5);当无过渡层时,方试件与圆棒试件进行有限元计算后所得的残余应力分布见图6。从图6中可以看出,在靠近焊缝的陶瓷侧中心轴附近存在很大的径向压应力,而轴向应力和剪切应力很小,甚至可以忽略;但在外表面附近则存在很大的轴向拉应力。因此在靠近界面的陶瓷表面上残余应力最大,该处往往成为裂纹的萌生处。因此,通过对接头残余应力的有限元分析,可以充分了解接头

5

4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

形状和中间层材料的种类及厚度对残余应力的影响,从而为接头设计和中间层的选择提供依据

。

图5　断裂面和轴向应力分布

Fig.5　Fracture area and distribution of σ

z

图6　两种接头的残余应力分布

Fig.6　Distribution of residual stresses in joints

3　现阶段研究存在的问题

瞬间液相扩散连接的数值模拟,虽然已有许多学者进行了研究并在不断地改进,但此扩散过程受多种因素影响,从数学上要准确地描述它是非常困难的,现阶段的研究主要存在以下的问题:

1)瞬间液相扩散连接过程是一个很复杂的过程,在早期的研究中人们对其只建立了一维的数值模型,这使得实际情况不能在模型中完全体现。

2)在现有的模型中,多数没有考虑偏析、晶体缺陷、晶界等对元素扩散的影响,其假设情况还不够接近于实际情况,因而计算结果与实际结果仍存在一些误差。

3)在早期的接头应力分析中,假设被连接材料是弹性体,而金属在高温下会发生塑性变形,因而误差较大。最近人们采用热弹塑性分析,使结果更接近于实际,但由于缺少高温条件下热膨胀系数、杨氏模量和泊松比等力学参量的具体数据,这也给计算结果带来了一定的误差。

4)由于在对扩散连接接头的残余应力分析中,无论是解析法还是有限元法,几乎都未考虑材料间扩散过程中所形成的反应层,而此反应层是影响接头残余应力及接头性能极其重要的因素,因而其计算模型在很大程度上降低了分析结果的准确性。

对上述问题还需要进一步的摸索和研究,有关理论和关键技术尚需进一步完善,使其模型的建立更加精确;在接头应力数值模拟过程中,应考虑温度对材料性能变化的影响,使计算结果可以更加接近于实际,最终达到接头性能设计与控制的目的。

64华东船舶工业学院学报(自然科学版)2003年

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(责任编辑:贡洪殿)

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