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1、 江苏科技大学江苏科技大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究 系系 部：部： 机械与材料工程 专业名称：专业名称： 材料成型及控制工程 二零一二二零一二 年年 六六 月月 江苏科技大学本科毕业论文 加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究 Study of contact reaction welding process between titanium and graphite with the interlayer of alloy 摘摘 要要 本课题研究的是石墨和 TC4 合金的真空钎焊工艺，观察并且分析了钎焊温
2、度分 别为 980、1000在不同中间层及不同的保温时间下的焊缝区域的微观组织和接 头区域成分。借助于扫描电镜和能谱分析等分析测试手段，分析了接头的微观组织 结构。通过分析各元素的含量分布，及在不同加热温度和不同保温时间的元素分布 曲线，我们知道接头成分为 Ti/C 化合物、Ti/Ni 化合物、游离态石墨、（+）钛合 金。 结果表明：(1)在其他工艺参数不变的情况下，加热温度越高，试样的扩散层越 大，焊缝则越窄。(2)在其他工艺参数不变的情况下，保温时间越短，扩散层就越大。 最终确定石墨/TC4 合金的接触反应焊接合适的焊接工艺参数为：当中间层是 Ni 箔时，加热温度 980，保温时间 3mi
3、n；当中间层是 Cu/Ni 箔时，加热温度 980， 保温时间 0.5min。 关键词：关键词：石墨；TC4；接触反应焊；界面组织 Abstract Research on this subject is graphite and TC4 alloy vacuum brazing technology,it mainly takes stock of the microstructure and the composition of the tie-in on 980 ,1000 with different heat preservation. he microstructure of th
4、e joints is analyzed by scanning electronic microscopy (SEM) equipped with energy disperse spectrum (EDS). The attachment ingredient is the Ti/C compound, Ti/Ni compound, the free state graphite, (+) the titanium alloy. The result showed that: with the other parameter no changing, the width of the w
5、elding line will reduce with the heat preservation increasing; the thickness of the diffusion will increase with the heat preservation increasing; selecting the welding temperature should be in accordance with the liquid line. Ultimately the graphite/contact reaction of TC4 alloy welding suitable we
6、lding parameters as follows: When the middle layer of Ni foil, the heating temperature of 980, holding time of 3min; when the middle layer of Cu/Ni foil, heating temperature of 980 insulation time 0.5min. Keywords: graphite; TC4 alloy; Contact reaction welding; interface microstructure 目目 录录 第第 1 1
7、章章 绪论绪论 1 1 1.1 接触反应焊的意义 1 1.2 石墨的材料特性 1 1.2.1 石墨的应用及用途 2 1.3 钛合金的特性 4 1.3.1 TC4 的特点.5 1.4 连接石墨与异种材料方法选择 6 1.5 使用真空钎焊的原因 8 1.5.1 真空钎焊原理 8 1.5.2 真空钎焊的优缺点 9 1.6 石墨与钛合金的钎焊技术研究 .11 1.7 石墨和 TC4 合金接触反应的目的及意义 .11 1.8 本课题研究内容 .11 第第 2 2 章章 实验材料实验材料、设备和方法设备和方法 1 12 2 2.1 实验材料 .12 2.2 实验设备 .12 2.2.1 观察及分析设备 .
8、13 2.3 实验过程 .14 2.3.1 试样处理 .14 2.3.2 金相试样制备 .15 2.3.3 真空钎焊工艺参数的选择 .16 第第 3 3 章章 实验实验结结果与分析果与分析 1919 3.1 石墨和 TC4 合金接触反应机理 .19 3.2 接触反应焊焊接接头的元素分析 .20 3.3 工艺参数对扩散层厚度的影响 .22 3.3.1 温度对扩散层厚度的影响 .22 3.3.2 保温时间对扩散层厚度的影响23 结结 论论 2 25 5 致致 谢谢 2 26 6 参参 考考 文文 献献 2727 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 接触反应焊的意义接触反应焊的意义 接触反应钎焊是
9、利用某些异种金属能形成共晶的特点，在界面接触反应良好且 加热至高于共晶温度的条件下，依靠金属原子间的互扩散在界面处形成共晶反应液 态金属层，随后冷凝结晶，从而把金属连接起来的方法。 归结而言：接触反应钎焊是一种依靠材料间的共晶反应所产生的液相合金来实 现连接的“自钎料”钎焊技术 。 1.2 石墨的材料特性石墨的材料特性 石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距 离为 3.40 人，同一网层中碳原子的间距为 1.42A。属六方晶系，具完整的层状解理。 解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。 石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为 12，沿垂
10、直方向随杂质 的增加其硬度可增至 35。比重为 1.92.3。在隔绝氧气条件下，其熔点在 3000 以上，是最耐温的矿物之一。 自然界纯石墨很少，常含有 SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO、H2O、沥青及粘土等杂质，可多达 1020%。石墨是由碳原子组成的六方网层。根据层的叠置层序和重复周期分为两 种类型：ABAB 两层一个重复周期的 2H 型，a0=0.2462nm，c0=0.670 nm；Z=4；ABCABC 三层一个重复周期的 3R 型， a0=0.246nm，c0=1.006nm，Z=6。层内原子间距 0.142nm，层间距 0.335nm。层内原 子作六方
11、环状排列，碳原子为三配位，碳原子的外层构型为 S2P2，杂化作 SP2。每 个碳原子以一个 S 电子和两个 P 电子与其周围的三个碳原子形成共价键，而另一个 具有活动性的 P 电子则形成离域大 键，从而使晶体具有一定的金属性。层内极强 的结合、层间巨大的间距及弱键构成了石墨结构的主要特点，并决定了石墨的特殊 性能1。 耐高温性，石墨是碳的高温变体，是目前已知的最耐高温的材料之一，熔点高 达 3850，4500才气化。2500时石墨的强度反而比室温时提高一倍2。 导电、导热性能，电导率约为一般非金属的 100 倍，碳素钢的 2 倍，铝的 33.5 倍。若将石墨定向排列，加温、加压制成定向石墨，其
12、顺向导电性约为反向导电性 的 1000 倍，故可制成各种半导体材料和高温导电材料。石墨的导热性能超过钢、铁、 铝，且具有异常导热性，即导热率随温度的升高而降低，在极高的温度下则趋于绝 热。 化学稳定性，常温下具良好的化学稳定性，不受任何强酸、强碱和有机溶剂的 腐蚀。但在氧化剂（如高氯酸 HClO4）作用下能被氧化。在空气 500开始氧化， 700时水蒸气可对其产生侵蚀，900时 CO2也能对其产生侵蚀作用。石墨的热稳 定性良好，膨胀系数小（1.210-6/） ，高温下能经受温度剧烈变化而不破坏，且其 体积变化不大。 润滑性和可加工性，具良好的润滑性能，其摩擦系数在润滑介质小于 0.1。鳞片 越
13、大，摩擦系数越小，润滑性能越好3。 吸热性和散热性，具良好的吸热性能，每 1kg 可吸收(2.969.211) 107J 热量， 而金属材料每 1kg 的吸热量为 4.061107J；石墨的散热性能与金属相当。 1.2.1 石墨的应用及用途石墨的应用及用途 石墨的一个主要用途是生产耐火材料，包括耐火砖，坩埚，连续铸造粉，铸模 芯，铸模，洗涤剂和耐高温材料。近年来，耐火材料工业中两个重要的变化是镁碳 砖在炼钢炉内衬中被广泛应用，以及铝碳砖在连续铸造中的应用。镁碳砖镁碳耐火 材料是由美国研制成功，随后日本炼钢业开始把镁碳砖用于水冷却电弧炉炼钢中。 目前在世界范围内镁碳砖已大量用于炼钢，并已成为石墨
14、的一种传统用途。 石墨在电气工业中广泛用来制作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、 石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层等等。其中以石墨电极应用最广，在冶 炼各种合金钢、铁合金时，使用石墨电极，这时强大的电流通过电极导入电炉的熔 炼区，产生电弧，使电能转化为热能，温度升高到左右，从而达到熔炼或反应的目 的4。此外，在电解金属镁、铝、钠时，电解槽的阳极也用石墨电极。 石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件 下使用，而石墨耐磨材料可以在 2002000温度中在很高的滑动速度下，不用润 滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和轴 承
15、，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好 的润滑剂。 石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好， 渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、 冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、 合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。 作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急 冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表 面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质 合金等粉末冶金工艺，通常用石
16、墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生 长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此 外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、板、格棚等元 件。 用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中， 铀-石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的 减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作 为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个 ppm。特别是其中 硼含量应少于 0.5ppm 。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的 鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。 随着科学技术的不断发展，人们对石墨也开发了许多新用途。柔性石墨制品。 柔性石墨又称膨胀石墨，是年代开发的一种新的石墨制品。美国已研究成功柔性石 墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题，随后德、日、法也开始研制生产。这种 产品除具有天然石
