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1、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 . 镍基高温合金的扩散连接 . 异种金属材料的扩散连接 . 陶瓷材料的扩散连接,. 复合材料的扩散连接 . 扩散连接设备 . 扩散连接设备的分类 . 扩散连接设备的组成 . 典型扩散连接设备及工作原理,9.1 扩散连接机理,图- 扩散连接分类简图,9.1.1 固相扩散连接基本原理,1.接
2、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9-2 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,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。,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、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9-5 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
4、相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内(图-b)，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-c)。 (3)成分均匀化 等温凝固形成的接头，成分很不均匀。,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- 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- 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
5、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 11超塑性成形的三层结构件,9.2.1 扩散连接的工艺特点,1.工艺特点 2.接头形式设计,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
6、)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。,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- 扩散连接的基本接头形式,9.2.2 扩散连接工艺参数选择,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- SiC/Ti反应层厚度与 温度及时间的关系,图- 连接温度对锡青铜/Ti 接头强度的影响
7、,图- 扩散连接时间对铜钢 接头性能的影响,图- SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系,图- 压力对接头弯曲强度的影响,图- 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。,9017.tif,图- 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
8、层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、Al、Ag、Au及不锈钢。 ()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
9、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。,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 .金属间化合物的扩散连接,B9023.TIF,B9024.TIF,B9025.TIF,图- 超塑性成形扩散连接接头 质量与压力及时间的关系 (，真空度小于1.33Pa),图- 钛合金的晶粒度对连接 时间和压力的影响,图- TAl合金扩散连接时间,图- TAl合金扩散连接温度,9023.tif,9024.tif,图- 不同温度下接头和 母材的抗拉强度 (连接条件：，.，15， 真空度.),. 镍基高温合金的扩散连接,.直
10、接扩散连接 .加中间层的扩散连接 .液相扩散连接 .镍基高温合金扩散连接实例,图- 扩散连接参数对接头性能的影响(30) a)压力 b)温度 c)时间,图- 高温合金及接头的持久强度 母材 接头,图- 接头强度与中间层相对厚度的关系 ) ) ,图- 汽轮机动翼液相扩散连接过程示意图,. 异种金属材料的扩散连接,.常用异种金属的扩散连接 . 与金属的扩散连接,.常用异种金属的扩散连接,()连接工艺 在实际生产中，为了获得某些功能或减轻构件质量，经常需要将不同的金属材料进行连接，由于异种材料在物理性能和化学性能方面存在着很大差异，界面反应非常复杂，例如铝与不锈钢连接时，界面生成了、和等金属间化合物
11、。 ()铝与不锈钢的热压扩散连接 在航天器、制氧机设备中常常要求把铝合金管与不锈钢管(或钛合金)连接在一起，常用的接头形式如图-所示，图中为管的内径，为钢管或钛管的壁厚，为铝合金的壁厚。 ()铜与钢的扩散连接 飞机发动机的精密摩擦副、止动盘等构件要求将锡青铜与钢连在一起，该类材料采用熔焊容易产生气孔，采用钎焊方法会降低接头的抗腐蚀性能，因此，常常采用扩散连接。,图- 铝与不锈钢管热压扩散连接示意图 )直径 )直径 )直径 不锈钢或钛合金 铝合金 夹具 垫块,图- 铝加热温度与接头强度的关系 (不锈钢在空气加热到),图- 连接温度对锡青铜钢接头 强度的影响,. 与金属的扩散连接,()与钢的扩散连
12、接 图-是不同连接温度下的接头的金相照片。 ()与的扩散连接 在连接温度及连接压力不变的条件下对进行扩散连接。,图- 接头的金相照片() )， )，,图- 反应层总厚度随时间的变化,图- 连接温度对接头抗拉强度及反应层厚度的影响 )对抗拉强度影响 )对反应层厚度影响,. 陶瓷材料的扩散连接,.陶瓷扩散连接的主要问题 . 陶瓷的扩散连接 . 3陶瓷与金属的扩散连接,.陶瓷扩散连接的主要问题,()界面存在很大的热应力 陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属材料连接时，由于陶瓷与金属的线膨胀系数差别很大，在扩散连接或使用过程中，加热和冷却时必然产生热应力，由于热应力的分布极不均匀，使接合界面产生应力集中，造成接头的
13、承载性能下降。 ()容易生成脆性化合物 由于陶瓷与金属的物理化学性能差别很大，连接时除存在着键型转换以外，还容易发生各种化学反应，在界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合物。 ()界面化合物很难进行定量分析 在确定界面化合物时，由于一些轻元素(、等)的定量分析误差较大，需制备多种标准试件进行标定。 ()缺少数值模拟的基本数据 由于陶瓷和金属钎焊及扩散连接时，界面容易出现多层化合物，这些化合物层很薄，对接头性能影响很大。,. 陶瓷的扩散连接,()采用中间层扩散连接陶瓷 和中间层在扩散连接时发生了化学反应，在反应的初期阶段，界面生成了和，因的扩散比较快，在侧优先成长，而则在侧形成(
14、图-)。 ()采用中间层扩散连接陶瓷 在、的扩散连接条件下，与的界面发生了相互扩散，可以观察到不连续的反应区。 ()和的扩散连接,图- 接头组织,图- 反应产物随温度和时间的变化,图- 连接温度对抗剪强度的影响,图-39 接头的高温强度,图- 连接时间对 接头抗剪强度的影响,图- 连接压力对接头 抗剪强度的影响,. 3陶瓷与金属的扩散连接,()采用金属中间层扩散连接陶瓷 扩散连接陶瓷时，多采用金属中间层进行连接，常用的中间层有、钢、和，表-给出了连接条件和接头的抗拉强度。 ()陶瓷与的扩散连接 在电子行业中，需要将电子元器件的Al2O3陶瓷基板与散热器连在一起，由于陶瓷和的熔点相差太大，因此采用共晶烧结工艺将陶瓷表面预先金属化，然后进行扩散连接。 ()陶瓷与的连接 陶瓷与直接扩散连接时，除了连接温度对接头性能有影响以外，连接压力的影响如图-所示。,图- 连接时间对接头强度的 影响(),图- 连接温度对接头强度的 影响(),图- -扩散连接时压力对接头 抗弯强度的影响,. 复合材
