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1、河南理工大学,瞬时液相扩散焊及其在新型耐热钢焊接中的应用 2019年5月25日,目录,3 TLP焊接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,目录,3 TLP焊接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,1 焊接,焊接,定义：被焊工件（材质同种或异种）通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间结合的一种加工方法。 特点：在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%。焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加
2、工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。,焊接方法分类,熔化焊：将两个工件连接处加热至熔化状态，连接处的金属经历一个熔合冷却结晶的过程，形成焊缝，成为一体。,压力焊：利用焊接时施加一定压力而完成焊接的方法，压力焊又称压焊。这类焊接有两种形式，可加热后施压，亦可直接冷压焊接。,钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。,1 焊接,1 焊接,1 焊接,目录,3 TLP焊
3、接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,目录,3 TLP焊接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散焊,定义：在一定的温度和压力下，被连接表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。,原理：在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须使两待焊表面紧密接触，使之距离达到(15) 10 6 mm以内，在这种条件下，金属原子间的引力才开始起作用，才可能形成金属键，获得有一定强度的接头。实际上，金属表面无论经什么样的精
4、密加工，在微观上总还是起伏不平的。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,第一阶段：变形、交界面形成 接触点 屈服和蠕变 塑性变形 压力持续 接触面积增 大，晶粒间连接。 第二阶段：晶界迁移和微孔的收 缩和消除 第三阶段：体积扩散，微孔消除 和界面消失,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,液相扩散连接 也称瞬时液相扩散连接（Transient Liquit Phase），通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。,2 瞬时液相
5、扩散焊（TLP）,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,a）,b）,c）,d）,e）,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,固态扩散连接与瞬时液相扩散对比,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散连接参数选择,扩散连接参数主要有温度、压力、时间、气氛环境和试件的表面状态，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应统筹考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,连接温度T越高，扩散系数愈大，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触所需的压力愈小。但是，加热温度受到再结晶、低熔共晶和金属间化合物生成等因素的影响。因
6、此，不同材料组合的连接温度，应根据具体情况，通过实验来选定。从大量实验结果看，连接温度大都在0.50.8Tm(母材熔化温度)范围内，最适合的温度一般为T0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度的选择，常在可生成液相的最低温度附近，温度过高将引起母材的过量溶解。,连接温度,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,a）单温工艺,b）双温工艺,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,双（多）温工艺优点 传统瞬时液相连接过程能够有效的进行焊接，但是由于焊接温度较高，容易出现焊接裂纹等缺陷。因此，陈思杰教授在TLP扩散连接接头形成理论方面提出了“瞬时液相扩散连接双温工艺理论”，TLP连接双温工艺模型把传统TLP连接过程分成两个不
7、同的温度区间，首先，前加热阶段完成非晶箔中间层的熔化和界面增宽；其次，后等温加热阶段完成液态中间层的凝固以及均匀化等过程。一般来说，短时高温加热连接可以让中间层熔化扩散更加充分，中间层原子和母材基体的润湿铺展作用更加显著；由于双温工艺等温凝固连接温度低于传统TLP连接温度（低2050左右），从而在一定程度上降低接头过渡区基体的过热倾向，这对于提高连接接头力学性能有很大的帮助。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散连接时间t（也称保温时间）主要决定原子扩散和界面反应的程度，同时也对所连接金属的蠕变产生影响。连接时间不同，所形成的界面产物和界面结构不同。扩散连接时，要求接头成分均匀化的程度越高，保温
8、时间就将以平方的速度增长。实际扩散连接工艺中保温时间从几分钟到几小时，甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑，保温时间越短越好。缩短保温时间，必须相应提高温度与压力。 接头强度一般是随时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，延伸率和冲击韧性与保温扩散时间的关系也与此相似。,保温时间,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散连接时的压力主要促使连接表面产生塑性变形及达到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失，防止扩散孔洞的产生。压力愈大，温度愈高，紧密接触的面积也愈多。但不管压力多大，在扩散连接的初期不可能使连接表面达到100%的紧密接触状态，总有一小部分演变成界面孔洞。
9、目前，扩散连接规范中应用的压力范围很宽，最小只有0.04MPa(瞬时液相扩散连接)，最大可达350MPa（热等静压扩散连接），而一般压力约为1030MPa。与连接温度和时间的影响一样，压力也存在最佳值，在其他规范参数不变的条件下，最佳压力时接头可以获得最佳强度。,连接压力,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散连接一般在真空、惰性气体（Ar、N2）或大气气氛环境下进行，一般来说，真空扩散连接的接头强度高于在惰性气体和空气中连接的接头强度。真空中的材料在温度升高时，气体会从零件和真空室内壁中析出，计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（1.331.3310-3Pa），就足以保证连接表
10、面达到一定的清洁度，从而确保实现可靠连接。,保护气氛,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,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。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。在连接前需经过脱脂、去除氧化物及气体处理等工艺过程。,表面状态,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,中间层材料其焊接温度低于母材的熔点（焊接温度为母材的0.6-0.8倍），进而缩小热影响区带来的不利影响。 选择中间层准则：一是中间层应具有较好的塑性变形能力；二是中间层合金成分中应包含加速扩散的有益元素，同时需要添加一些降熔元素，从而加速原子在母材中
11、的溶解和扩散，以保证中间层合金的熔点低于所要焊接的母材；三是中间层合金与被焊接母材之间不能发生不好的化学反应，例如产生脆性相或者一些低熔点共晶相；,中间层选择,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,瞬时液相扩散焊和钎焊的区别,TLP焊接与钎焊操作步骤相似 ,如均需在待连接母材表面间放入熔点低于母材的第三种材料，但是在 TLP中常叫中间层 Interlayer ;在钎焊中常叫钎料 Filler metal;然后加热、保温。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,瞬时液相扩散焊和钎焊的区别,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,瞬时液相扩散焊和钎焊的区别,中间层 作为TLP 的中间层,应具备以下条件: (1) 熔点低于母
12、材; (2) 与母材间的润湿性好; (3) 不形成有害的金属间化合物; (4) 完成等温凝固快; (5) 成分均匀化快。显然对中间层的要求比对钎料要求高。为此,从成分角度考虑,主组元应尽量与母材相同;合金元素中首应含有MPD 元素;并要求MPD 元素应具有以下功能:在母材中扩散迅速、在母材中的溶解度较大 (利于向母材扩散) 、含量适中以兼顾熔点的降低与均匀化的难易、使母材表面“液化”显著、有一定“自钎剂”作用、不形成稳定的有害相、间层溶化后( Melting point depressant elements , 简称MPD元素)应以自由态存在,利于其迅速扩散入母材。另外应含有可使焊缝区满足特
13、殊性能要求(如抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、抗低温脆断性能等) 的合金元素。从开发制备成型角度考虑,非晶箔带具有能提高溶质(MPD 元素)的极限溶解度、薄且成分均匀、熔化区间窄、无需粘结剂的优点,有取代以粉末、电镀、喷涂等方式预置中间层的趋势。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,瞬时液相扩散焊和钎焊的区别,母材与中间层/ 钎料的相互作用 无论钎焊或TLP 接合都要求中间层或钎料熔化后能与母材发生良好的润湿。在钎焊中,润湿是铺展、填缝的前提,润湿性不好,即使是预置的中间层也会从界面间流出而球聚于焊缝之外; TLP 接合中亦然。但钎焊的侧重点在于“润湿”,而TLP 接合中的侧重点在于“MPD 元素向母材
14、中的扩散”。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散焊和钎焊的区别,凝固机制,钎焊接头是在连续冷却过程中结晶的,属非平衡条件下的结晶。TLP 接合中,液态中间层是在等温条件下进行凝固的,属平衡条件下的结晶。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,扩散焊和钎焊的区别,与钎焊相比TLP 焊接具有如下优点: (1) TLP 接头在等温凝固完成后具有明显不同于母材与填充金属的成分,并在一定情况下最终的显微组织中分辨不出填充金属; (2) TLP 接头比一般硬钎焊接头的强度高; (3) TLP 接头的重熔温度高于钎焊接头而耐高温性能好; (4) TLP 焊接容许母材表面存在一定的氧化膜有一定的“自清净”能力。 TL
15、P 焊接工艺的上述优点决定了它可用于一般钎焊难以胜任的场合:对力学性能要求高(不低于母材) ;服役温度高的耐热合金的焊接;接头形式只许采用对接形式(钎焊采用搭接) ;特别是在先进材料的连接 (如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料) 等场合,其应用前景更为广阔。但TLP 焊接也存在对中间层要求严、端面粗糙度要求严、焊接时间长等美中不足。,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,目录,3 TLP焊接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,目录,3 TLP焊接新型耐热钢实例,2 瞬时液相扩散焊（TLP）,1 焊接,3 TLP焊接新型耐热钢实例,高温高压发电厂（9.9MPa，540度） 超高压发
16、电厂（13.83MPa，540度） 亚临界压力发电厂（16.77MPa，540度） 超临界压力发电厂（22.11MPa，550度） 超超临界压力发电厂（31MPa，600度）,水的临界参数是:22.129MPa、374.15在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的,3 TLP焊接新型耐热钢实例,3 TLP焊接新型耐热钢实例,气路图及布局图,非晶中间层,3 TLP焊接新型耐热钢实例,开放式瞬时液相扩散连接焊机,3 TLP焊接新型耐热钢实例,开放环境TLP扩散连接试验原理图,3 TLP焊接新型耐热钢实例,标准镍铬-镍硅热电偶,3 TLP焊接新型耐热钢实例,TLP扩散焊的工艺曲线,3 TLP焊接新型耐热钢实例,3 TLP焊接新型耐热钢实例,3 TLP焊接新型耐热钢实例,
