压焊方法及设备 第九章扩散连接

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
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
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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
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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
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。
图9-3 加压时间与表层变形量、
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。
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。
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
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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.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
图９-１４ SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系
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
2.材料连接时的物理接触过程
(1)物理接触及氧化膜去除 被连接面在真空中加热时，油脂逐渐分解和挥发， 吸附的蒸气和各种气体分子被解吸下来。 (2)氧化膜去除机制 在一般真空度条件下，氧化膜去除有以下三种机制。 (3)物理接触的形成 扩散连接时表面的物理接触(使表面接近到原子间力的作 用范围之内)是形成连接接头的必要条件。
(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。