压焊方法及设备 第九章扩散连接[精]
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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
Leabharlann Baidu
图９-１４ SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系
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× Pa)
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。
图９-２０ 钛合金的晶粒度对连接 时间和压力的影响
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９６c)。 (3)成分均匀化 等温凝固形成的接头，成分很不均匀。
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
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９-１５ 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。
11—超塑性成形的三层结构件
1.工艺特点 2.接头形式设计
9.2.1 扩散连接的工艺特点
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。
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9-6 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
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
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
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
Leabharlann Baidu
图９-１４ SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系
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× Pa)
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。
图９-２０ 钛合金的晶粒度对连接 时间和压力的影响
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９６c)。 (3)成分均匀化 等温凝固形成的接头，成分很不均匀。
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
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９-１５ 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。
11—超塑性成形的三层结构件
1.工艺特点 2.接头形式设计
9.2.1 扩散连接的工艺特点
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。
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9-6 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
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
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