（材料学专业论文）镍基中间层tlp焊接的组织转变与扩散行为研究.pdf

摘要 本文采用镍基中间层对奥氏体不锈钢的瞬时液相扩散连接过程进行了研究，利用金 相观察、x 射线衍射分析、扫描电镜、能谱分析、电子探针等手段分析了接头区域的微 观组织、界面结构及界面处元素分布，发现采用n i 基中间层连接不锈钢的过程中具有 瞬时液相扩散焊的特征。探讨了瞬间液相扩散焊结合行为，并初步研究了液相中间层元 素的扩散行为。 试验中分别采用非晶态和晶态两种中间层，t l p 焊接接头进行了分析结果表明，两 种中间层的t l p 焊接接头都主要由扩散层，母材溶解层，中间层残余层组成。t l p 焊 接过程分三个阶段：液相生成阶段；等温凝固阶段；成分均匀化阶段。升温过程( 焊接 温度为9 4 0 ( 2 9 9 0 ( 2 ) 的研究中发现，非晶态和晶态中间层在焊接温度未达到中间层固相 线温度时，有固相扩散的特征。非晶中间层在9 4 0 ( 2 、晶态中间层在9 5 0 焊接条件下 分别保温3 0 r a i n 后有元素的扩散，晶态中间层这一过程较非晶态中间层滞后且缓慢。从 焊接接头形成过程可以看出，非晶态中间层和晶态中间层的接头形成过程有一定的区 别，非晶中间层在接头形成过程中更多地表现为以元素的扩散为主的特征，而晶态中间 层则更多地体现出以液态中间层的流动和铺展为主的“毛细钎焊 特征。 采用非晶中间层的接头，随着焊接温度升高，产生的液相增多，原子扩散速度加快； 保温时间决定了中间层元素扩散的程度，延长保温时间，中间层中的b 元素全部扩散进 母材。中间层中b 元素扩散进入母材，同时，母材中的f e 元素溶解进入焊接接头中间 层中。b 元素的扩散贯穿于整个焊接过程，正是由于b 元素的扩散才使得母材溶解层中 b 元素浓度降低，并发生了上坡扩散，f e 元素浓度增加。在焊接界面发生了中间层元素 与母材元素的冶金反应。计算了加热过程中非晶态中间层和晶态中间层焊缝扩散层中b 的扩散系数，无论是非晶还是晶态中间层，其扩散系数都随着温度的升高而增大；在同 一温度下，非晶中间层焊缝扩散层中b 的扩散系数大于普通焊缝扩散层中b 的扩散系 数。从理论上证实了非晶扩散速度快这一结果。 关键词：t l p 焊接；非晶；不锈钢；接头组织；扩散 a b s t r a c t 耵1 em i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o na n dd i f f u s i n gb e h a v i o u rd u r i n g jb o n d i n g u s i n g n i c k e l b a s ei n t e r l a y e ri ss t u d i e d j o h a tr e g i o nm i c r o s t r u c t u r e t h es t r u c t u r ee v a l u a t i o na n d e l e m e n td i f f u s i o nb e h a v i o ro f a m o r p h o u sf i l l e rm e t a lw a ss t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ， t h e x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e l e c t r o nm i c r o p r o b l ea n a l y s i s ( e p m a ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o c o p y ( s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t r y ( e d s ) ，a n de l e c t r o nm i c r o p r o b l e a n a l y s i s ( e p m a ) m i c r o s t r u c t u r a ls t u d i e ss h o w e dt h a tt h ep r o c e s so fj o i n i n ga u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e l 、析man i c k e l b a s e da m o r p h o u si n t e r l a y e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n t l i q u i dp h a s ed i f f u s i o nb o n d i n g i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r l a y e r sw a su s e di nt h ef o r m so fa l la m o r p h o u sf o i la n dc r y s t a l l i n e i n t e r l a y e r j o i n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt l pm i c r o s t r u c t u r a la r et h em a i nb yt h ed i f f u s i o n l a y e r , b a s em e t a ld i s s o l u t i o nl a y e r , ar e m a i nl a y e ro fi n t e r l a y e r 1 1 1 ea m o r p h o u sb o n d i n g p r o c e s si sc h a r a c t e r i z e da saf o u r - s t e pp r o c e s sc o n s i s t i n go ft h r e es t a g e s ：t h ef i r s ts t a g ei st h e p r o d u c t i o no ft h el i q u i db e h a v i o r ；f o l l o w i n gi si s o t h e r m a ls o l i d i f i c a t i o ns t a g e ；t h el a s ts t a g ei s c o m p o s i t i o nh o m o g e n i z a t i o ns t a g e d u r i n gt h er a m p u pp e r i o d ，t h et e m p e r a t u r er a n g eo f 9 4 0 - 9 9 0 ，w ec a nf o u n dt h a tb o n d e ds t a i n l e s ss t e e lw i t hn i c k e l b a s ef i l l e rh a st h e c h a r a c t e r so ft r a n s i e n tl i q u i dp h a s eb o n d e d w h e nt h ew e l d i n gt e m p e r a t u r eo fa m o r p h o u sa n d c r y s t a l l i n ei n t e r l a y e rb e l o wt h es o l i dt e m p e r a t u r e ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l i dd i f f u s i o n a m o r p h o u si n t e r l a y e ra tt h et e m p e r a t u r eo f9 4 0 ca n dt h ec r y s t a l l i n ei n t e r l a y e ra tt h e t e m p e r a t u r eo f9 5 0 。cr e s p e c t i v e l yh o l d3 0 m i n ，f o u n dt h ed i f f u s i o no fe l e m e n t ，t h ep r o c e s si s b e h i n df o rc r y s t a l l i n ei n t e r l a y e r f r o mt h ef o r m a t i o no fw e l d e d j o i n t sc a l lb es e e n ，t h eb o n d e d f o r m i n gp r o c e s so fa m o r p h o u si n t e r l a y e ra r ed i f f e r e n tf r o mt h ec r y s t a l l i n ei n t e r l a y e r t h e a m o r p h o u sb o n d i n gp r o c e s si s c h a r a c t e r i z e da s d i f f u s i o n b r a z i n g ，a n dt h ec r y s t a l l i n e i n t e r l a y e rb o n d i n gp r o c e s si sc h a r a c t e r i z e da s “c a p i l l a r yb r a z i n g ” t h ea m o r p h o u sb o n d i n gp r o c e s sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e l d i n g t e m p e r a t u r e ，r e s u l t i n g i ng e n e r a t em u c hl i q u i da n dt h ed i f f u s i o nr a t eo ft h ea t o mi sf a s t e r h o l d i n gt i m ed e t e r m i n e s t h ee l e m e n td i f f u s i o no ft h ei n t e r l a y e r ，h o l d i n gt i m ed e t e r m i n e dt h a tt h ep r o l i f e r a t i o no ft h e m i d d l el a y e rt h ed e g r e eo fe l e m e n t t oe x t e n dt h eh o l d i n gt i m e ，e l e m e n t so fbi nt h e a m o r p h o u si n t e r l a y e rh a sd i f f u s e d t h ee l e m e n tb i na m o r p h o u si n t e r l a y e rh a sd i f f u s e di n t o o r i g i n a ls u b s t r a t e t h ee l e m e n tf ei no r i g i n a ls u b s t r a t ed i s s o l v e da tt h es a m et i m e t h e w e l d i n gp r o c e s sa c c o m p a n i e dw i t ht h ed i f f u s i o no f e l e m e n t sb t h i sr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o n o fbe l e m e n t si no r i g i n a ls u b s t r a t e bo c c u r r e du p h i l lp r o l i f e r a t i o n , t h ec o n c e n t r a t i o no f e l e m e n t sf ei n c r e a s e d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni n t e r l a y e ra n dm a t r i xm e t a l ，1 1 1 ed i f f u s i o n c o e m c i e n to fbi sc a c u l a t e d ，w h e t h e ri ti sc r y s t a l l i n eo ra m o r p h o u si n t e r l a y e r ，t h ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n to fbi si n c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n gu p a tt h es a m et e m p e r a t u r e ，t h e i i d i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fbi nt h ea l n o r p h o u 5i n t e r l a y e ri s g r e a t e rt h a ni nt h ec r y s t a l l i n e i n t e r l a y e r t h e o r e t i c a l l y c o n f m n e dt h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v eo nt h ed i f f u s i o no fh i l g h s p e e d k e yw o r d s ：t l pb o n g d i n g ；a m o r p h o u s ；s t a i n l e s ss t e e l s ；j o i n tm i c r o s t r u c t u r e ；d i f f u s i o n i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：认鼹日期：婶月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：认壤云日期：夕声6 月o 日 导师签名：笞磊孓卜钫嘻l v 日期：沙产月，汐日 1 1 引言 第1 章绪论 瞬时液相扩散焊作为一种新型的焊接技术在近3 0 多年来获得了广泛的应 用。瞬时液相扩散焊技术主要是针对沉淀硬化合金开发的，因为这些合金很难用 熔焊方法连接。但是瞬时液相扩散焊焊接对固溶强化合金同样有效，因为瞬时液 相扩散焊焊接具有温度低、精度高、残余应力小、接头强度高、没有明显的界面 和焊接残留物的特点。所以在新材料( 先进陶瓷、复合材料、氧化物弥散强化耐 热合金) 的制备、连接、修复等方面有很大的潜力【1 1 。 镍基非晶箔带合金由于具有高的热稳定性，良好的力学性能和优异的抗腐蚀 性能而引起人们的广泛兴趣。它应用于不锈钢的瞬时液相扩散焊中发展时间不 长，许多理论和工艺上的问题还有待进一步深化，特别是在接触熔化时液相产生 的多少及其如何扩展。镍基非晶对不锈钢的焊接机理主要集中在模型化分析上， 尚需进一步完善和阐述，以适应其他材料瞬时液相扩散焊连接的需要。 本文选用不锈钢作为研究对象，研究其在瞬时液相扩散焊条件下的焊接机 理，分析接头界面行为、接头微观组织之间的关系。 1 2 瞬时液相扩散焊概述 瞬时液相扩散焊( t r a n s i e n tl i q u i dp h a s eb o n d i n g ) 在弥散强化高温合金、纤维 增强复合材料以及新型材料的连接中得到了大量应用。该种方法通常采用比母材 熔点低的材料作中间层，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使成分均匀化。它的主要特点是较低温度下接头可形 成共晶液相，液体金属原子运动较为自由，扩散速度快，易于在母材表面形成稳 定的原子排列而凝固；压力作用下液相薄膜更易破坏界面连续的氧化膜并能消除 接头表面的油污；液相层在压力条件下凝固，最后所得组织致密，易得到与母材 组织近似的接头1 2 j 。 1 2 1 瞬时液相扩散焊的工艺原理 瞬时液相扩散焊连接是一个瞬时液态连接过程，其原理是将一特殊成分和熔 化温度的中间层合金放置于装配好的工件间，并施加一定的压力，然后在真空或 惰性气体的保护下加热到连接温度。在连接温度下中间层首先熔化润湿母材，在 工件的配合面之间形成一薄层液体。当工件在连接温度下保温时，中间层中降低 熔点元素( m e l t i n gp o i n td e p r e s s a n t ，简称m p d ) 快速扩散到母材金属中，使母材 端面微区的熔点降低并发生瞬时熔化；同时母材中的高熔点元素向已为液相的中 间层中扩散，使中间层合金的熔点升高，随后发生等温凝固而完成焊接过程。等 温凝固发生后，接头的组织与母材基本相似，但在成分和结构上仍有差别，在此 温度下保持一定时间可使接头的成分和结构均匀化，直到与母材相同【4 j 。虽然瞬 时液相扩散焊连接的操作过程与钎焊基本一致，但由于瞬时液相扩散焊连接为等 温凝固，因此两者获得的接头组织和性能存在差异。 1 2 2 瞬时液相扩散焊过程 瞬时液相扩散焊过程可用以下四个阶段来描述【5 】： 1 ) 置于两待焊表面之间的中间层在低的压力作用下与待焊表面接触。 2 ) 中间层与母材发生共晶反应，形成液相并润湿填充接头间隙。 3 ) 等温凝固阶段。工件处于保温阶段，液相层与母材之间发生扩散。起初 母材边缘因液相中低熔点元素扩散进来而熔点下降，直至融入液相；液相熔点则 因高熔点母材的融入和低熔点元素扩散到固相中而相应提高。晶粒从被熔化的基 体表面向液相生长，经一段时间扩散后，液相层变得越来越薄。 4 ) 等温凝固过程结束，液相层完全消失，接头初步形成，等温凝固获得的 结晶成分几乎一致，均为此温度下固液平衡成分，避免了熔焊和普通钎焊时的不 平衡凝固组织。均匀化扩散阶段，接头成分和组织进一步均匀化，达到使用要求 为止，此阶段可与焊后热处理合并进行。 1 2 3 瞬时液相扩散焊的连接模型 为了简化分析，假设基体材料( 母材) 为a ，中间层材料为b ，即为a b a ( a 和b 为纯金属，a b 为共晶或包晶系统) 的瞬时液相扩散焊技术。以图1 1 所示 的二元共晶系统为例。p o k u 等人【6 】基于a g c u a g 接头，提出了瞬时液相扩散焊 过程可由接触熔化( 中间层溶解) 、液相区增宽与成分均匀化、等温凝固和固相成 分均匀化四个阶段组成。后面三个阶段实质都是中间层合金中降熔元素( m p d ) 扩散的结果，是降熔元素扩散在不同时期的外在表现而已。其中，接触熔化与等 温凝固是t l p 焊接中两个非常重要的阶段。接触熔化时，液相产生的多少，接 触熔化时间等对于液相在扩散焊界面的铺展、润湿与填充有着重要的影响并直接 影响接头的焊接质量；等温凝固完成时间决定了整个连接过程所需要的时间并影 响到接头的成分分布、相结构及力学性能。等温凝固真正的目的是要使中间层中 m p d 的浓度持续下降至足够低，以减少或消除低熔共晶相( 影响高温性能) 或脆 性相( 影响常温性能) 。只有完全实现等温凝固，才能消除残留于焊缝中心区的液 相，提高重熔温度与高温性能；或在焊接温度下获得固溶体( 不等于室温下也可 获得固溶体) ，能否实现等温凝固是焊接成败的关键。 接头叠放次序为a b a ，该阶段为加热初始阶段，界面尚未形成明显的相互 扩散层。其中c 彳为基体材料的成分( 对应于图1 1 中的6 点) ，c f 为中间层材料的 成分( 对应于图1 1 中的l 点) ，当接头在a b 共晶温度以上进行t l p 焊接时，由 于母材和中间层之间存在很高的初始浓度梯度，因而相互扩散十分迅速，a b 界 面附近b 浓度开始下降，成分由图1 1 中的l 点向3 点转化，当达到3 点后立即 2 导致在a b 界面上形成液相。由于扩散阶段形成了液相，使b 原子扩散速度大 大加快，继续保持恒温则使中间层成分迅速由图1 1 中的3 点向4 点转化，液相 区同时向母材a 和中间层b 侧推移，使液相区逐步增宽，由于中间层厚度要比 母材薄得多，因而中间层最终全部溶解成为液相，即完成接触熔化阶段。 图1 1a - i l - _ 元莛龉平衡相图示意图 接触熔化阶段中的扩散速率取决于原子在液相中的扩散系数d 工，故中间层 b 溶解所需要的时间很短，为秒数量级。根据l e s o u l t 关于瞬时液相扩散连接模 型的建立过程【7 1 ，对于a b 二元共晶系统，依据质量守恒定律以及菲克扩散定 律可以求得a b 接触熔化所需要的时间为，l ： = 丢 式中：k j 为在连接温度下的常数；w o 为中间层b 的厚度；d l 为b 原子 在液相中的扩散系数。除了熔化时间以外，接触熔化阶段中反应层的厚度决定了 界面被液相润湿的程度，因而也决定了接头质量。在t l p 过程中，由于中间层 材料与基体材料的溶质原子发生互扩散，在温度与原子成分比例达到反应条件时 产生化学反应，其生成物富集的区域称为反应层。这里一般忽略液相区成分均匀 化过程中反应层的生长，而主要研究接触熔化过程中的反应层。反应层的有无、 反应层厚度、反应层相结构等，对接头的质量有着重要的影响。反应层厚度也是 影响陶瓷一金属连接强度的重要参数【引。邹家生等人【9 】通过t i c u t i 作为中间层 t l p 焊接s i 3 n 4 ，分析了连接时间与连接温度对反应层厚度的影响规律。表明： 在连接时间一定的条件下，随着连接温度的升高，反应层厚度不断增加，但当中 间层材料中的活性元素t i 消耗完毕之后，反应层厚度基本不再增加。若忽略液 相区成分均匀化过程中反应层的生长，反应层厚度x 与连接时间t 的关系符合抛 物线规律： x 2 = k e f ( 1 2 ) 式中：讳为反应层生长速率因子，可表达为： 一 ， a 、 后p = k oe x p ( 一嵩) ( 1 3 ) 。 瓜 式中：q l 为反应层生长的表观激活能；k o 为常数，j 5 f 为玻耳兹曼常数；t 为 热力学温度。 张凯锋等人【1 0 】对扩散焊温度为9 0 0 及扩散时间为3 0 m i n 的 t b 2 c u t b 2 ( t b 2 为亚稳定a 型钛合金：t i 3 a i 5 c r 5 m o 5 v ) 扩散偶试件，经长 时间保温退火后，由背散射电子相测定其生成的c u t i 3 的宽度，结果表明c u t i 3 相的生长遵循抛物线规律。在这里，c u t i 3 相的生长反映了反应层厚度的增长； 陶瓷活性钎焊( 如s i 3 n 4 a g c u t i ) 【1 1 1 和固相扩散连接( 如s i c t 0 t 1 2 】的研究均表 明，金属与陶瓷间界面反应层生长也符合扩散控制的抛物线规则；c e c c o n e 等人 【1 3 l 的实验表明，在部分瞬间瞬间液相扩散焊( p t l p ) 中，反应层生长也可用抛物 线方程描述：s a v v i n 等人【1 4 】通过p b b i 接触熔化的研究也表明，在给定温度下， 反应层的厚度与连接时间的平方根呈正比关系，即也符合扩散控制的抛物线规 则。可见，反应层厚度主要取决于连接时间、温度以及反应层生长速率因子，但 反应层生长速率的直接求解很困难。 骶圜 越瓦 赠 ab 赴 e 图1 2t l p 焊接的等温凝固机理 图1 2 是t l p 焊接的等温凝固机理引。中间层是由母材主元素a 和m p d 元素b 组成的，其原始成分为c ，初熔温度为l ，低于母材熔点l 6 。当工件 加热到死时，中间层熔化，并填充接头间隙( 图2 1 a ) 。液相中间层和母材的反应 使母材配合面处的b 元素浓度值提高到高于g ，界面处的母材开始熔化。由于 b 元素的扩散和母材向液相的溶解，母材配合面处的熔化一直延续到液相中间层 的成分降低到c ，( 图2 1 b ) 。此时，b 元素从接头处向母材的继续扩散和母材的溶 解，使正在进行的熔化过程发生中止，等温凝固过程开始。在死温度下等温凝 固时，液体成分保持c ，浓度，并与邻近的固相表面的浓度成平衡状态。然而由 于扩散的继续进行，处于c f 成分浓度的液相不断减少，凝固不断从两配合面向 中间进行( 图2 1c ) 。由于在平衡状态下的凝固过程进行缓慢，形成的固相只能是 成分为c 。的富a 固溶体。只要扩散过程使接头区的b 的最高浓度降低到g ，等 4 瓦 温凝固结束，基本结合已形成( 图2 1 d ) 。继续保温是促使接头区均匀化，使接头 成分( 已) 尽量接近母材( 图2 1 e ) 。 1 3 液相扩散焊( t l p ) 连接技术国内外研究现状 瞬时液相扩散焊( t r a n s i e n tl i q u i dp h a s ed i f f u s i o nb o n d i n g ，简称t l p 焊接或 液相扩散焊) 是由d a n i e l ，d a v i d 与w i l l i a m 三人于1 9 7 2 年首先提出了t l p 焊接 方法，并在“w e l d i n gj o u r n a l 上撰文正式采用了t l pb o n d i n g 这一提法l l 6 。1 9 7 4 年，他们三人又用相图解释了其金属学原理，并成功应用于焊接镍基耐热合金【4 】。 目前，t l p 焊接已成为各种先进材料【1 7 , 1 8 , 1 9 1 ，如先进陶瓷、复合材料、各种耐热、 耐蚀超合金、单晶合金的首选焊接方法，同时t l p 焊接工艺也在传统的结构材 料，如碳钢等方面的应用潜力同样十分巨大。 近年来关于t l p 焊接的研究侧重点在欧美与日本有所不同。在欧美主要研 究集中于对中间层( 二元或三元系合金) 中降熔元素扩散的数值计算及凝固过程 的优化控制。在日本主要集中于拓宽t l p 焊接的适用钢种范围的研究，如在单 晶材料【2 0 1 、碳素钢方面的应用研究。值得一提的是剑桥大学的a a s h i r z a d i 与 e r wa l l a c h 提出了一种“带有温度梯度 的瞬时液相扩散焊的新工艺【2 ，突 破了传统的t l p 焊接惯用的焊接区温度均匀分布的束缚，其优点在于可使最终 凝固所得的界面由经典t l p 焊接情况下所得的平面状变为非平面状( i t - 弦状或胞 状) ，增加了沿非平面状界面上的金属一金属之间的接触面积；将残留的难熔氧 化物粒子在接合线( b o n dl i n e ) 上分布由传统t l p 工艺下的平直状改善为正弦状或 胞状分布。这样与传统t l p 焊接相比，提高了接头的剪切强度，并避免了接头 质量的随机波动。该技术已于1 9 9 7 年获得英国专利，并在a c t am a t e r 国际著名 期刊上发表了多篇有关机理及预测模型的论文。 随着科学技术的迅猛发展，尤其是计算机技术的发展，国内外学者也开始对 t l p 焊接进行深入研究。国内对瞬时液相扩散焊的研究尚处于起步阶段，主要是 针对一些异种难焊金属的焊接工艺。目前国内外对瞬时液相扩散焊的研究主要有 以下几个方面： ( 1 ) 山东电力研究院工程师王学刚等采用自行研制的f e n i s i b 系非晶金属 箔带作为中间层材料和瞬时液相扩散焊工艺，在开放式气体保护环境下焊接电站 常用钢管，可获得连续均匀的焊缝组织和优于手工熔化焊的力学性能【2 2 1 。工艺 参数中包括中间层材料、加热温度、保温时间、压力及对接端面要求。 ( 2 ) 河南理工大学机械工程系陈思杰：一王英等采用f e n i s i b 合金做中间层， 在氩气保护条件下对1 2 c r m o v 珠光体耐热钢和t p 3 0 4 h 奥氏体不锈钢管进行了 瞬时液相扩散焊，通过正交实验研究了工艺参数对接头组织和性能的影响，分析 了其接头的显微组织、断口形貌、力学性能和元素分布，确定出了合适的焊接工 艺参数【2 3 1 。 ( 3 ) 华东船舶工业学院的于冶水、吴铭方等采c u m n 合金为中间层，对 c u a i b e 合金和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢在真空条件下进行了瞬时液相扩散焊焊接。工 艺参数为：焊接温度乃= 1 1 6 3k 、11 9 3 k 、1 2 2 3k 、1 2 5 3k ；保温时间f 6 = 5 、1 0 、 15 、2 0 、2 5 、3 0 、4 0 、6 0 、1 2 0m i n ；焊接压力p = 0 5 、l 、2 、4 、5m p a 。根据 不同的中间层试验结果，确定了最佳保温时间分别为4 0 m i n 和6 0 m i n 【2 引。 ( 4 ) 采用非夹层瞬时液相扩散焊连接复合材料a 1 2 0 3 6 0 6 1 a 1 ，实验结果表明， 当焊接温度介于基体铝合金液、固两相温度区间时，结合面上出现液态基体金属， 可获得较高的接头强度和较小的变形【2 5 1 。 ( 5 ) 对中间箔选用的研究。西安交通大学的张贵锋等人对比研究了三种非晶 态中间层对低碳钢的润湿行为，分析认为b n i 2 优越的润湿性能归因于少量的不 锈钢管对c r 与f e 有良好的冶金相容性及其本身较低的熔点 2 6 1 。 1 4 中间层合金 1 4 1 中间层合金的选择 中间层的作用是： ( 1 ) 改善表面接触，从而降低对待焊表面制备质量的要求和所需的焊接压 力； ( 2 ) 改善扩散条件加速扩散过程，从而可降低焊接温度，缩短焊接时间； ( 3 ) 避免或减少因被焊材料之间物理化学性能差异过大所引起的问题，如热 应力过大，出现扩散孔洞等。 作为瞬时液相扩散焊的中间层应具备以下条件【2 7 】： ( 1 ) 熔点低于母材； ( 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。 为此，从成分角度考虑，主组元应尽量与母材相同；合金元素中首先应含有 m p d 元素；并要求m p d 元素应具有以下功能：在母材中扩散迅速【28 1 、在母材 中的溶解度较大【2 9 1 ( 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【30 1 、使母材表面“液化显著【3 、有一定“自钎剂”作用、不形成稳定的 有害相、中间层熔化后m p d 元素应以自由态存在，以利于其迅速扩散入母材。 另外应含有可使焊缝区满足特殊性能要求( 如抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、抗 低温脆断性能等1 的合金元素。从开发制备成型角度考虑，非晶薄带具有能提高 溶质( m p d 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。 1 4 2 母材与中间层的相互作用 瞬时液相扩散焊( t l p ) 连接要求中间层熔化后能与母材发生良好的润湿。 6 t l p 焊接中的侧重点在于“m p d 元素向母材中的扩散 。t l p 焊接过程中，母 材的溶入不起主要作用，这是因为在恒温条件下，母材的溶解是有限度的。无疑 t l p 焊接中传质过程最大的特点在于“m p d 元素向母材中的扩散，且扩散须 是快速的、明显的、持续的扩散。m p d 元素扩散较快的原因一方面在于中间层 在焊接温度下处于液态；另一方面作为m p d 元素一般人为有意识地选用小原子 半径的元素。m p d 元素向母材中的扩散贯穿整个焊接过程，正是m p d 元素的持 续扩散才使得液相区先增宽，至最大宽度后开始出现等温凝固转而缩窄，直至等 温凝固完成，并最终在固相状态下实现均匀化。可以说瞬时液相扩散焊连接的关 键就在于m p d 元素的浓度是否可通过扩散进入母材而降至足够低。它与钎焊的 共同特征是母材的溶解有一定的特殊性，即液态金属体积小，固态金属的溶解或 “液化 对液态金属内部的浓度影响很大【3 2 】。 1 4 3 中间层的分类 由于中间层材料的高温性能以及与母材的匹配性等问题，目前金属连接中间 层材料绝大多数是金属或复合材料。中间层材料的分类方法有多种：根据弹性模 量的不同，可分为弹性模量较低的软质中间层( 如铜、铝及镍等) 和弹性模量高且 线膨胀系数与陶瓷接近的硬质中间层( 如钨、钼等) 两类。其中软质中间层是通过 金属本身的塑性变形来降低应力【3 3 1 ，而硬质中间层是将接头处的残余应力转移 到中间层中；根据是否含有活性元素分为活性中间层和非活性中间层；按其使用 目的不同，可分为缓解应力中间层( 如铜、镍、铌、钨、钼、膨胀合金) 和连接用 中间层( 如钛、锆、铁以及金属基复合材料) ；也可以按照使用时组合式的不同， 分为单层中间层、复合中间层和梯度中间层三类【3 4 1 。 1 4 4 非晶态中间层的优越性 通常用来焊接制作气轮发动机等设备的高温合金和耐热钢的t l p 焊接材料 是含b 、s i 、c 或者p 的镍基晶态合金，这些合金在常规铸造条件下枝晶粗大、 含有脆性的第二相，所以无法加工，只能粉碎成粉末状再用有机粘结剂粘结成薄 带状使用，因而很容易混入杂质或碳化物，使焊缝的强度等焊接质量受到很大影 响。采用快速凝固非晶t l p 焊接合金后，合金不仅很容易生产成薄带形状，而 且薄带有很好的延性，可以加工成需要的尺寸，同时成分均匀，不含杂质。由于 许多非晶t l p 焊接合金的成分接近共晶成分，熔点低、熔化后流动性好，所以 在焊接高温合金和不锈钢等合金的构件时都可以显著提高焊接质量【3 。 利用快速凝固技术制造中间层是2 0 世纪6 0 年代初开始的一种快速铸造技 术，进入2 0 世纪9 0 年代，快速凝固法已可用于制造非晶态中间层，这种非晶态 中间层不仅扩大了溶质的固溶度，而且可以形成较柔软的带材，用于生产出不同 化学成分、不同熔点的各种焊接材料【36 1 。由于非晶态中间层是利用金属液体急 冷技术制造的，不使用粘结剂，因此与通常使用的脆性粉末或丝、片、棒状等传 统材料料相比，非晶态中间层具有一些独特的优点【3 。7 j ： 7 合金化程度高、成分可调性强、使用方便。 快速凝固使合金为1 0 0 的金属。不含有机粘结剂和助焊剂，在焊接过程 中无杂质产生，消除了对钎焊炉的污染。适于进行真空或保护气氛焊接，焊接后 接头的耐热温度不降低。 可按焊接部位的尺寸把合金带材制成一定形状，置于焊接处进行焊接，减 少中间层材料的浪费，降低成本，高质量的焊接小薄件。 中间层化学成分均匀、熔点较低、铺展均匀、润湿性好、流动性好，可充 分地充填焊缝，保证焊接质量、提高接头强度、耐蚀性好。 适于自动化操作，可一次焊接成功。 1 4 5n i 基非晶中间层 镍基合金是一种高温材料，具有优良的焊接冶金及焊接工艺性能，与大多数 铁基合金一样具有良好的相容性，已被广泛应用于t l p 焊接普通合金钢、不锈 钢和高温合金等材料【3 8 】。镍具有极好的抗氧化和耐腐蚀性能，良好的塑性和中 等强度。 对于铁基钢管可选用镍基非晶态薄带中间层的原因有【3 9 】： ( 1 ) 镍具有良好的综合力学性能，且铁在奥氏体状态能与镍完全固溶，这既 有利于润湿的顺利进行，又有利于避免金属间化合物等脆性相的形成； ( 2 ) 镍为非碳化物形成元素，可避免在焊缝处形成新的化合物相； ( 3 ) 镍基非晶态中间层中所含的降熔元素( 硼、硅) 对于铁元素来讲，也是降 熔元素，符合瞬时液相扩散焊对中间层的要求。 镍基中间层内常加的元素有铬、硅、硼、铁、磷和碳等。铬的主要作用是增 大抗氧化耐腐蚀能力及提高中间层的高温强度；硅可降低熔点，增加流动性。硼 和磷是降低熔点的主要元素，并能改善润湿能力和铺展能力。碳可以降低中间层 的熔化温度而对高温强度没有多大的影响，少量的铁可以提高中间层的强度。 1 5 主要研究内容 拟采用两种镍基中间层进行t l p 焊接的研究，分别研究以下内容： 1 ) 研究t l p 焊接过程中降熔元素的扩散，分析焊接接头的界面结构，对比 研究非晶态中间层与晶态中间层的区别； 2 ) 采用非晶态和晶态中间层t l p 焊接不锈钢，研究工艺参数对t l p 连接 过程的影响； 3 ) 研究非晶中间层t l p 焊接过程中与晶态中间层的不同，探讨非晶中间层 的连接机理。 2 1 试验材料 第2 章试验材料和实验方法 中间层要保证接头与母材在成分和组织上均匀化应以被连接母材的成分作 为基本成分，再加入熔化温度降低元素，以满足对中间层熔化温度的要求。以镍 为基的中间层合金加入不同的降熔元素如硼、硅、锰、铌等。但只有硼的效果最 好，其原因是硼对镍基合金的降熔作用特别明显，只需少量的硼即能将镍基合金 的熔化温度降到满意的程度。硼的原子半径很小，它的扩散速度高，尤其是晶间 扩散的速度极高。由于硼向母材的快速扩散，可使中间层合金与母材达到均质化， 并且避免在接头中形成有害的第二相。其他元素如硅、锰等虽也能降低镍基合金 的熔化温度，但这些元素也只有在含量较高的情况下才能将熔化温度降到满意的 程度，并且这些元素的扩散速度低，不容易向母材大量扩散，不能使它们在中间 层合金中的含量在连接过程中降低到有害浓度以下，因而容易在接头中形成稳定 的有害相。因此本文选用n i c r b s i 系列中间层。 本文采用成分相同的非晶和普通n i c r b s i 中间层，其化学成分列于表2 1 ， 其中非晶中间层为宽3 0 m m ，厚4 0 1 t m 的b n i 2 非晶中间层箔带，晶态中间层为 长约5 0 m m ，直径约2 0 m m 的圆棒。将浇铸的棒状中间层线切割并打磨成0 8 m m 厚，2 5 m m 长，5 m m 宽的薄片，其成分与非晶薄带中间层相同。借助t g d t a 差热分析方法测得其固液相温度区间为9 6 1 1 0 2 8 ，为排除与其它元素产生相 互干扰，本实验选用2 5 m m x 2 5 m m 2 m m 奥氏体不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 作为焊接试 样。 表2 1 试验材料的化学成分( 质量分数) 2 1 1 母合金的熔炼 2 1 1 1 熔炼方式及熔炼工艺原则 熔炼就是将配比计算好的原料装入熔化炉内熔化成液体合金，通过除渣、脱 氧、除气，使液体合金中含有尽可能少的气体与夹杂物，确保合格的合金成分， 同时保持一定的浇铸温度【4 0 , 4 1 】。 一 n i c r b s i 合金的熔炼为高频感应加热炉。高频感应加热炉的加热特点是坩 埚内炉料在高频交变应力场的作用下产生感应电流的电阻热来加热和熔化炉料 的内加热方式，熔化所需的热量不是由外界传导输人，而是由炉料本身产生，所 以加热迅速、热效率高，熔炼同重量炉料的熔炼时间比电阻炉要快得多。在熔炼 过程中，熔化了的合金会产生强烈的电磁搅拌，效果均匀，较好地消除了电阻炉 9 加热熔炼时的主要缺点。 熔炼工艺原则： 针对不同的合金成份，严格控制熔炼温度和时间。 针对不同的合金成份，选用适当的装料顺序。应主要考虑：尽量减少熔损、 熔化快、不过热、少吸气和不损坏炉衬。装料顺序一般应先加数量最多的原料， 待熔成熔液时，再加其它组元，可减少少量元素的熔损；易挥发、易燃烧的元素 后加。 针对不同的合金成份，选用适当的覆盖剂。覆盖剂的使用可以减少合金液 体的氧化和含气量，减少夹杂物。 针对不同的合金成份，选用适当的除气方法，可有效地减少铸锭的气泡。 2 1 1 2 熔炼设备及工艺 用高纯镍( 质量百分比为9 9 9 9 ) 、高纯硅( 质量百分比为9 9 9 9 ) 和纯硼粉末 ( 质量分数为9 9 5 0 ) 作为原料，在高频感应加热炉中熔炼。 试验中间层母合金的熔炼在可充惰性保护气体的s p 2 5 b 高频感应加热炉中 进行，如图2 1 所示。将配好的高纯镍、高纯硅、纯硼合金粉末或块体作为原料 放入石墨坩埚内，感应加热熔化，热电偶直插配料中以监测加热温度。冶炼时， 充入惰性气体( 氩气) ，中间层材料表面添加特殊配制的覆盖剂，以最大限度地减 少氧化与烧损，并使熔融的中间层材料充分除气与脱渣。中间层材料熔炼过程中 的搅拌是通过高频产生的磁场来实现。用上述方法反复熔炼中间层材料三次，熔 炼工艺流程图如图2 2 所示。其成分均匀，总烧损系数小于0 1 。 图2 1 母合金熔炼示意图 2 1 2 非晶中间层箔带的制取及工艺 薄带成型有多种工艺，其中单辊法和双辊法结构简洁，而冷却速度可达到 10 3 k s 以上，能够较充分地发挥快速凝固技术的优越性，可以制备出连续均匀且 组织致密的带材。因此，自8 0 年代初期以来，世界上快速凝固和带材直接连铸 1 0 领域内，单辊法和双辊法得到了迅速发展，统计资料表明，近十年内所建的实验 设备中8 0 以上采用上述两种方法【4 2 1 。 图2 2 熔炼工艺流程图 单辊法和双辊法的特点如下【4 弘4 6 】： ( 1 ) 从产品尺寸上讲，双辊法由于双面冷却，适合生产较大截面的带材，其 可以生产厚度在2 1 0 m m 范围内的薄带；相反