（材料加工工程专业论文）93wnita扩散焊接研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： 拯珞喹日期： 出丝：垡型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：抱嗨吟导师( ：p ，日期洲川剧 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 钨合金和钽合金具有高密度、高熔点、良好的韧性等优异的性能，被广泛 应用于航天航空、武器等领域，故钨合金和钽合金的焊接研究在国防军事领域 占有重要地位。然而，由于高温下容易发生钨和钽的再结晶和晶粒粗化和低温 下钨和钽的互扩散极其有限的原因，钨合金和钽合金的直接焊接性较差，采用 添加中间层的方法提高钨合金和钽合金的扩散焊接性。 本论文采用真空扩散焊接方法获得了9 3 w n i t a 扩散焊接接头。采用万能 试验机测试焊接接头的剪切强度，通过s e m 、e p m a 、光学显微镜等分析焊接 接头的显微结构和元素分布，通过x r d 进行断口物相分析，探讨焊接工艺参数 与焊接结构、性能之间的规律关系。通过f i c k 第二定律和b o l t z m a n n m a t a n o 方 法分析了9 3 w n i t a 扩散焊接机理，得到n i w 和n i t a 界面过渡区的形成与元 素扩散之间的规律。 9 3 w n i t a 焊接接头的剪切强度随着焊接温度和保温时间的增加而增加。当 焊接温度为9 3 0 ，保温时间为3 0 m i n ，焊接压力为2 0 m p a 时，其剪切强度高达 2 4 4 m p a 。焊接接头晃面及剪切断口的元素和物相分析结果表明，n i t a 界面处主 要生成h c p - n i 3 t a 、f c c - n i 3 t a 和n i 2 t a 三种金属间化合物；9 3 w n i 焊接接头界 面由n i w 界面和n i 9 3 w 的粘结相烈i f e ) 界面组成，n i w 界面处由固溶层n i ( w ) 和金属间化合物n i 4 w 组成，n i 粘结相( n i f e ) 界面通过n i 的自扩散及n i f e 的 互扩散形成。断口断裂处位于n i t a 界面金属间化合物h c p n i 3 t a 、f c c _ n i 3 t a 和n i 2 t a 之间。界面反应层由热力学和动力学因素共同决定，生成模型分为三个 阶段：有效物理接触阶段、固溶层形成阶段、金属问化合物形成与长大阶段。 通过f i c k 第二定律和b o l t z m a n n m a t a n o 方法确定了9 3 w n i 和n i t a 扩散 焊界面过渡区元素的扩散系数，计算结果表明w 、n i 、t a 元素的扩散系数均随 焊接温度和元素浓度的增加而增大，n i w 界面w 元素的扩散能力比n i 元素强， n i t a 界面t a 元素的扩散能力比n i 元素强。故n i w 界面依靠w 元素的扩散实 现，n i t a 界面依靠t a 元素的扩散实现，这与相图和元素线能谱分析结果相一 武汉理t 大学硕士学位论文 致。结合扩散系数与误差函数解计算得到了界面反应层元素的反应扩散方程， 并加以优化。通过元素扩散距离和扩散速率与时间的经验公式计算得到了n i w 界面和n i t a 界面过渡区各相层宽度与焊接温度和保温时间的关系方程，结果表 明n i w 界面各相层的扩散激活能较低，n i w 界面处各相层更容易形成，这与 n i w 界面元素线能谱结果及n i t a 断口的x r d 结果相一致。 关键词：9 3 w n i t a ，扩散焊接，界面过渡区，元素扩散 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u n g s t e na l l o y sa n dt a n t a l u ma l l o y sw i mo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c es u c ha sh i 曲 d e n s i t y , h i g hm e l t i n gp o i n t ，g o o dt o u g h n e s sa n ds oo n ，i sw i d e l yu s e di na e r o s p a c e ， w e a p o n sa n do t h e rf i e l d s s ot u n g s t e na l l o y sa n dt a n t a l u ma l l o y sp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nt h ef i e l d so f n a t i o n a ld e f e n s ea n dm i l i t a r y h o w e v e r , f o rt u n g s t e na n dt a n t a l u m i s p r o n et or e c r y s t a l l i z a t i o na n dg r a i nc o a r s e n i n g a t h i g ht e m p e r a t u r ea n dt h e i n t e r d i f f u s i o no ft u n g s t e na n dt a n t a l u mi se x t r e m e l yl i m i t e da tl o wt e m p e r a t u r e ，t h e d i r e c t l yb o n d i n go ft u n g s t e na l l o y sa n dt a n t a l u ma l l o y si sp o o r t h em e t h o do fa d d i n g t h em i d d l el a y e rw a su s e dt oi m p r o v et h ed i f f u s i o nb o n d i n go ft u n g s t e na l l o y sa n d t a n t a l u ma l l o y s i nt h i sp a p e r ，t h ev a c u u md i f f u s i o nw e l d i n gw a su s e dt ow e l d9 3 wt ot ai na p r e s e n c eo fn i 嬲a i n t e r m e d i a t el a y e r u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ew a su s e dt og e tt h e s h e a rs t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t s s e m ，e p m a ，o p t i c a lm i c r o s c o p ew e r eu s e dt o a n a l y s et h em i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n t a ld i s t r i b u t i o no f9 3 w n i t aw e l d e dj o i n t s x r dw a su s e dt oa n a l y s et h ep h a s eo ff r a c t u r es u r f a c e a b o v ea l li st og e tt h er e l a t i o n b e t w e e nw e l d i n gp r e f e r e n c e sw i t ht h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h e 9 3 w n i t aw e l d e dj o i n t s b yf i c k ss e c o n dl a wa n db o l t z m a r m m a t a n om e t h o d ，t h e w e l d i n gm e c h a n i s m so fn i wa n dn 沂aw e r ea n a l y s e d a n dt h el a wb e t w e e nt h e f o r m a t i o no fi n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n ew i t ht h ee l e m e n td i f f u s i o nw a sr e c e i v e d t h es h e a rs t r e n g t ho f9 3 w n i t aw e l d e dj o i n t si n c r e a s e dw i t hw e l d i n g t e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e w h e nt h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ei s9 3 0 。c ，h o l d i n gt i m e i s3 0 m i na n dp r e s s u r ei s2 0 m p a , t h es h e a rs t r e n g t hi su pt o2 4 4 m p a t h er e s u l t so f i n t e r f a c eo fw e l d e dj o i n t s ，e l e m e n t so ft h es h e a rf r a c t u r ea n dp h a s ea n a l y s i ss h o w e d t h a t ，h c p n i 3 t a 、c c n i 3 t aa n dn i 2 t aw e r ep r o d u c e da tt h en i t ai n t e r f a c e t h e n i 9 3 wi n t e r f a c eh a dt w op a r t s - n i wi n t e r f a c ea n dn i ( n i f e ) i n t e r f a c e n i w i n t e r f a c ew a sb u i l tw i t ht h es o l i ds o l u t i o nn i ( w ) a n dt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d n i 4 w n i ( n i - f e ) w a sb u i l tt h es e l f - d i f f u s i o no f n ia n di n t e r d i f f u s i o no fn ia n df e f r a c t u r ef r a c t u r e di nt h en i t ai n t e r m e t a l l i cc o m p o u n do fh c p - n i 3 t a , f c c - n i 3 t ha n d n i 2 t a t h ew e l d i n gi n t e r f a c er e a c t i o nl a y e rw a sd e t e r m i n e db yt h et h e r m o d y n a m i c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n dk i n e t i cf a c t o r s t h eg e n e r a t e dm o d e li sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：e f f e c t i v e p h y s i c a lc o n t a c tp h a s e ，s o l i ds o l i t i o nl a y e rf o r m a t i o ns t a g ea n dt h ef o r m a t i o na n d g r o w t ho fi n t e r m e t a l l i cp h a s e s b y f i c k ss e c o n dl a wa n db o l t z m a n n - m a t a n om e t h o d ，t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t o fe l e m e n t so ft h ed i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c e9 3 w 烈ia n dn i 他w e r ec o u n t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ed i f f u s i o nb o n d i n gc o e f f i c i e n to fw ：n i ，t ai n c r e a s e dw i t ht h e w e l d i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d 1 1 1 ed i f f u s i o nc a p a c i t yo fwi s s t r o n g e rt h a nn ii nt h en i wi n t e r f a c e t h ed i f f u s i o nc a p a c i t yo ft ai ss t r o n g e rt h a n n ii nt h en i t i ai n t e r f a c e t h e r e f o r e ，t h en i wi n t e r f a c ew a sg e r e nb yt h e p r o l i f e r a t i o no fw e l e m e n ta n dt h en i 1 hi n t e r f a c ew a sg e r e nb yt h ep r o l i f e r a t i o no f t ae l e m e n t t h e s er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ep h a s ed i a g r a m sa n dt h er e s u l t so f e d se l e m e n t a ll i n ed i s t r i b u t i o n c o m b i n a t i o no fd i f f u s i o nc o e 伍c i e n t sa n de r r o r f u n c t i o n ，r e a c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o n so ft h ee l e m e n t so ft h ei n t e r f a c er e a c t i o nw e r e g o t ，a n db e e no p t i m i z e d b ye l e m e n td i f f u s i o nd i s t a n c ea n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l ao f d i f f u s i o nr a t ew i t ht i m e ，t h ew i d t h e so fe a c hp h a s e l a y e ro fi n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n e w a sg o t t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ed i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g yo ft h ep h a s e sf o r m e da t n i wi n t e r f a c ei sl o w e ra n dt l l e ya r ee a s i e rt of o r mt h a nt h ep h a s e sf o r m e da tn i t i a i n t e r f a c e t h e r er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h en i 用i n t e r f a c ee l e m e n t sl i n es p e c t r u m a n dt h ex r dr e s u l t so f n i 广1 af r a c t u r e s k e yw o r d s ：9 3 w n i t a , d i f f u s i o nb o n d i n g ，i n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n e ，e l e m e n t d i f f u s i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 扩散焊接1 1 2 1 扩散焊接概述2 1 2 2 扩散焊接的影响因素3 1 2 3 扩散焊接的物理化学过程4 1 2 4 扩散焊接接头的形成机理5 1 39 3 w 和t a 的焊接性分析7 1 4 添加中间层9 3 w 和t a 扩散焊接的研究现状一8 1 5 本课题的研究目的及研究内容8 第2 章实验与测试。l o 2 1 实验材料10 2 2 实验设备与工艺1 2 2 2 1 扩散焊设备1 2 2 2 2 焊接工艺1 3 2 3 测试方法1 4 第3 章9 3 w n i t a 焊接接头的力学性能及形成机理1 6 3 1 引言1 6 3 2 焊接温度对9 3 w n i t a 焊接接头的剪切强度和显微结构的影响1 6 3 2 1 焊接温度对9 3 w n i t a 焊接接头剪切强度的影响1 6 3 2 2 焊接温度对9 3 w n i t a 焊接接头的显微结构的影响1 7 3 2 3 焊接温度对9 3 w n i t a 焊接接头断口形貌的影响1 9 3 3 保温时间对9 3 w n i t a 焊接接头的剪切强度和显微结构的影响2 2 3 3 1 保温时间对9 3 w n i t a 焊接接头剪切强度的影响2 2 3 3 2 保温时间对9 3 w n i t a 焊接接头的显微结构的影响2 3 3 3 3 保温时间对9 3 w n i t a 焊接接头断口形貌的影响2 4 3 49 3 w n i 胁焊接接头的元素及物相分析2 5 3 4 19 3 w n 胁焊接接头的元素分析2 5 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 不同焊接温度下获得的9 3 w n i t a 焊接接头断口的物相分析2 9 3 4 3 不同保温时间下获得的9 3 w n i t a 焊接接头断口的物相分析3 0 3 59 3 w n i t a 焊接接头界面扩散反应分析3 2 3 5 19 3 w n i 焊接界面扩散反应分析3 2 3 5 2n i t a 焊接界面扩散反应分析3 3 3 6 小结3 5 第4 章9 3 w n i t a 焊接界面元素扩散的数值分析3 7 4 1 引言3 7 4 2 一维无穷长物体的扩散理论和b o l t z m a n n m a t a n o 方法的介绍3 8 4 3 1 一维无穷长物体的扩散理论3 8 4 3 2b o l t z m a n n - m a t a n o 方法3 9 4 39 3 w n i t a 焊接界面过渡区的元素扩散层4 0 4 49 3 w n i 扩散焊界面元素扩散的数值分析4 1 4 4 19 3 w n i 扩散焊界面过渡区元素d c 分布方程的确定4 2 4 4 29 3 w n i 扩散焊界面过渡区元素的扩散系数4 5 4 4 39 3 w n i 扩散焊界面过渡区元素c x 分布的数值计算4 6 4 4 49 3 w n i 扩散焊界面过渡区扩散距离的数值分析4 9 4 5n i t a 扩散焊界面元素扩散的数值分析5 2 4 5 1n i t a 扩散焊界面过渡区元素d c 分布方程的确定5 2 4 5 2n i t a 扩散焊界面过渡区元素的扩散系数5 6 4 5 3n i t a 扩散焊界面过渡区元素c x 分布的数值计算5 7 4 5 4n i t a 扩散焊界面过渡区扩散距离的数值分析5 9 4 6 j 、结6 1 第5 章结论6 3 参考文献6 5 墅i 谢。6 9 v i 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着工业技术的迅速发展，对焊接构件的性能提出了更高的要求，如良好 的高温强度、优良的耐蚀性等等。而传统单一的金属材料已经很难满足工业生 产对金属材料综合性能的要求。为了最大限度地利用材料各自的优点，需要采 用焊接技术得到较高综合性能的焊接构件。因此异种金属材料的焊接成为现代 工业生产中必不可少的一种先进技术【l 】，这已经成为材料焊接领域的热门课题之 一【2 】o 高密度钨合金( 如9 3 w ，9 3 w - n i 4 2 f e 2 4 5 ) 具有密度大，强度高、延展性好、 机械加工性能好、线膨胀系数小、热导率大、抗氧化和抗腐蚀性能好、焊接性 好等一系列优异的性能。这些优异的性能使其在尖端科技领域、军事和民用工 业中得到了广泛的应用，例如平衡配重元件、惯用元件、射线屏蔽材料等。其 中，高密度钨合金刚性较好，形状容易保持，是理想的核燃料贮存器与防辐射 的屏蔽材料。同时，w - n i f e 合金具有一系列优异的性能，如熔点高、良好的冲 击韧性、高塑性和低屈服强度，可以用来制造一种薄壁形大链套壳体，作为原 子能爆炸使用的功能复合材料，保证仪器的j 下常工作。钽合金( 如工业纯钽) 具有 高密度、高熔点、耐蚀、优异的高温强度、良好的加工性、可焊性及低的塑脆 转变温度、优异的动态力学性能及表面形成致密、稳定、高介电常数的无定形 氧化膜等特点而被广泛应用于电子、化工、航天航空、武器等领域。因此为了 更加充分地发挥高密度钨合金以及钽合金的各自优势，使其在高科技领域如航 天航空、武器领域中有着重要的应用，需要到行之有行的焊接技术，获得高品 质的高密度钨合金与钽合金异种金属材料的焊接接头。 1 2 扩散焊接 目前焊接的种类和方法很岁3 1 ，而相对于其它焊接技术而言，扩散焊接是一 种精密的固相焊接方法，特别适合于物理化学性能差别大、互不溶解、相互间 易产生脆性相的异种金属材料 4 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 扩散焊接概述 扩散焊接是压焊的一种形式，是一种固态焊接技术。它是在可以控制的压力 作用下，把处于紧密接触状态的零件，加热到预定的温度并保温一定时间的过 程。这些条件使两个需要连接的零件的表面产生塑性变形与达到最大程度的接 近和原子的扩散，从而保证接头与基体材料的强度相同。相对于其它焊接方法， 扩散焊接具有一系列的优点：不需要昂贵的钎料、焊条、熔剂和保护气体；不 需要焊后的机械加工，因为没有氧化皮、焊渣和焊瘤，从而消除了贵重金属的 损失；不会增加构件的重量，这一点是其它形式的焊接、钎接和胶结所无法避 免的；由于焊接是在不太高的温度和较小的压力下进行的，所以就没有必要进 行热处理；此外，还可以提高部件的质量并可以增加部件的使用期限。故扩散 焊接具有以下独特的优点 5 。7 】： ( 1 ) 焊接接头的质量好，接头的显微组织和性能与基体金属接近或相同； ( 2 ) 焊接时所加压力小，焊件多数是整体加热，随炉冷却，焊后变形小； ( 3 ) 可焊接其它方法难以焊接的材料，特别是互不溶解或熔焊时会产生金属 间化合物的异种金属材料； ( 4 ) 焊接工艺参数可精确控制，操作过程简单； ( 5 ) 焊接接头的成分介于两种基体金属之间。 扩散焊接的种类很多，如图1 1 所示，根据是否有中间层，可分为直接扩散 焊接和添加中间层的扩散焊接；根据是否产生液相，可分为固相扩散焊接和液 相扩散焊接；从焊接环境上，还可以分为真空扩散焊接和保护气氛环境下的扩 散焊接【引。除此之外，还有溶剂保护扩散焊接、超塑成形扩散焊接、烧结扩散焊 接等。其中，应用真空扩散焊接，即使是对活性很高的金属进行焊接，也可以 获得有害夹杂物含量最少的接头。若与惰性气体相比较，真空具有这样的优点， 例如抽气和控制都比较简便；不需要运输和仓库保存的费用。因此，采用真空 在经济上就更为合算。 综上所述，真空扩散焊接是一种生产率高，不需要很大压力，能够制造精 密的、与基体材料强度相同的接头的方法。 2 武汉理工大学硕士学位论文 气体保护扩散焊接ll 真空扩散焊ll 溶剂保护扩散焊接 超塑成形扩散焊接il 液相扩散焊接li 固相扩散焊接il 烧结扩散焊接 图1 - 1 扩散焊接分类简图 f i g 1 - 1c l a s s i f yo fd i f f u s i o nw e l d i n g 1 2 2 扩散焊接的影响因素 扩散焊接是在高温下保温一定时间使焊件产生微量塑性变形，以便使接触 部分产生原子互扩散的过程。焊接接头的形成是通过施加挤压力，使连接面达 到原子间力的作用距离之内，使得连接件的原子通过固态的互扩散结果。因此， 在扩散焊接方法中，接头的形成是取决于三个重要的参数。这三个主要参数是 焊接温度、焊接压力和给定的温度及压力下的保温时间： ( 1 ) 焊接温度：焊接温度是扩散焊接中最重要的工艺参数。焊接温度越高， 扩散系数越大，它不仅决定了焊件之间的界面反应能否发生，而且还决定反应 进行的速度。提高焊接温度可加速接触面上材料原子间的相互扩散，同时也使 金属材料具有一定的塑性形变程度，促使表面变形使相互接触更紧密，但是加 热温度受到被焊材料的冶金物理特性的严格限制，如再结晶、低熔共晶和金属 间化合物的生成等。因此异种材料焊接的焊接温度应根据具体情况而定，焊接 温度大都在o 5 0 8 t m l 9 j 。在容易形成脆性的金属间化合物时，应控制焊接温度， 以保证得到优良接头。 ( 2 ) 焊接压力：施加压力的主要作用之一是保障连接面之间有紧密的接触。 所施加的压力要足以使连接件表面产生变形，从而将对接处所有的空隙由焊接 材料填满。如果压力不足，那就会留下来一些微小的空隙，接头的质量就要大 大地下降。压力还可以破除表面上的氧化物，使焊接表面达到需要的清洁度。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 保温时间：在给定的温度和压力下，无论从接头的物理机械性能，还是 从经济性来考虑，通常的情况下，保温时间应该是越短越好。对于扩散焊接来 说，保温时间只要能够保证紧密接触和扩散就够了。过分的扩散，反而会在焊 缝中( 在连接区) 形成空洞；在多数情况下，会产生脆性金属间化合物( 在连接异 种金属和合金时) 。故应控制保温时间以控制扩散层的厚度，使之不影响接头性 能。 为了顺利地进行连接，焊件和结合表面应该相当平滑和互相贴紧，使结合 处具有良好的表面接触。软金属在低压力下就能自由变形，所以焊前，不必对 连接面作特殊处理。而诸如硬质合金、难熔金属、热强合金、工具钢和非金属 材料等硬质材料的连接面的加工，就需特别注意。在此种情况下，连接面应该 加工到六级光洁度，最好添加塑性较好而又容易变形的材料作为中间层。 1 2 3 扩散焊接的物理化学过程 如图1 2 所示，一般认为扩散焊接形成焊接接头大致要经过以下三个过程 1 0 】： ( 1 ) 物理接触的形成阶段：在此阶段，焊件表面要保持光滑平整，故在焊接 前需将表面的氧化膜去除，同时保证焊接过程中焊件表面不被污染，故在真空 条件下进行焊接。材料表面精度越高，扩散焊所需的压力和时间就越小，焊接 质量就越好。焊接过程中，被焊材料发生塑性变形，并在高温高压下发生粘塑 性变形，使被焊材料紧密接触，被焊材料的原子在整个接触面上相互接近到能 够引起物理作用的距离。 ( 2 ) 原子表面激活相互作用阶段：随着焊接温度的升高，被焊材料接触表面 被激活，原子获得足够的能量从而处于激活状态，然后两个被焊表面之间产生 物理和化学的相互作用，最后形成化学键。 ( 3 ) 原子扩散阶段：在此阶段主要有界面扩散和体积扩散。由于空位在接合 界面上比在晶体内易于扩散，故接合界面是空位扩散的重要通道。固态焊接时 接触界面与孔洞表面之间存在空位浓度差，从而产生了空位扩散，从而形成良 好焊接。在焊接异种金属时，第三阶段结束的标志是在接头处产生再结晶过程， 形成共同晶粒。异种金属焊接时，是否要限制第三阶段的扩散过程，取决于扩 散区的性质和产生的新相性质。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 扩散焊接过程的三阶段理论 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et h r e e s t a g ew e l d i n gp r o c e s s 为了获得a 和b 两种金属的接头，他们必须接近到这样的距离，在这一距 离内，足以使这两种金属的原子之间产生稳定( 牢固) 的键。这时，原子之间相互 作用的能量必须是最低的。但在各种具体的条件下，由于固体的实际表面，无 论经过什么样细致加工，它仍然具有微观的不平度和粗糙度。以最高的精度要 求进行加工以后，微观的粗糙度为0 3 1 微米。两个金属接触面之间的距离要接 近到( 1 5 ) x l o 。1 0 米时，原子间的引力才开始起作用。因此，须施加压力使整个接 触表面的金属达到一定程度的塑性变形。或者施加一定压力的同时，在进行加 热，就会使晶格中原子的活性与迁移率增加。对于大多数异种金属材料而言， 在焊接过程的第三阶段，在接触处产生再结晶和形成脆性化合物，或因相与相 之间的反应扩散而形成各种新相，往往使第二阶段已得到的强度又重新下降。 如果由于扩散而使焊缝和近焊缝区的化学成分向有利方向变化，此阶段也能继 续提高焊接接头的强度【l l 】。 1 2 4 扩散焊接接头的形成机理 关于扩散焊接头的形成机理，存在着各家学说，其中主要有薄膜学说、 再结晶学说、能量学说、位错学说和扩散学说。每种观念都有其局限性。从表 面上看，扩散焊过程的特征和机理似乎很简单，但实际上，确实相当复杂的， 它是由下列各阶段综合而成：焊接表面的接触；表面的氧化膜和吸附层的清除； 武汉理工大学硕士学位论文 在材料变形时对原子的激活；立体发展的过程、粘合形式的出现；扩散过程， 再结晶等等。扩散焊过程中的这种多阶段性以及个别阶段的重叠表明了扩散焊 过程的复杂性。往往不能用单独的某一种观点来解释焊接的机理。近来，关于 扩散焊特征的一些共同概念业已被总结出来。大多数研究人员认为，在金属不 熔化的情况下，要形成焊接接头就必须产生所谓的金属键，也就是说，在两个 相邻的接触的原子( 离子) 之间要产生相互作用的力，这种力在整块的金属内部是 永远都存在着的，并决定了该金属的整体性。 对于原子的扩散，菲克第一定律指出，扩散速度是按照单位时间内，通过 单位面积界面的物质数量l ，进行度量的。扩散物质的数量，与垂直于界面方向的 单位浓度d c d x 有关，并且和比例系数d 成正比【1 3 】： ，：一d 坐 ( 1 - 1 ) 出 、。 ，称为扩散通量，它是单位时间内通过垂直于x 轴的单位面积的原子数量； d 称为扩散系数，它表示单位浓度梯度下的扩散通量；负号表示扩散方向与浓度 梯度方向相反。 菲克第一定律适用于稳态下的扩散流束，也即是在断面的任意一点，扩散 流束的浓度与时间无关的状态，当扩散流束的浓度随时间而改变时则需使用菲 克第二定律： 粤：dd ， c ， ( 1 2 ) 一一 。 - ， 口f 口x 一 在这种情况下，扩散系数就与浓度无关，这只适合于自扩散的情况，因此 只能在扩散的某种临界条件下才能解这一方程式。 随着温度的升高，扩散系数也随之增大，扩散系数与温度之间呈现指数关 系： d = d oe x p ( 一q r t ) ( 1 3 ) 式中d 0 - 封散因子，它与晶格类型和扩散的原子振动频率有关； 卜激活能，单位是千焦耳克原子或千卡克原子； k 气体常数； 卜绝对温度，k 。 q 值表示元素扩散的激活能，也就是晶格中原子键的能量，q 值越大，晶格 松动所需的能力也就越大，也就是用于克服从晶格中的一个节点位置迁移到另 6 武汉理工大学硕士学位论文 一个晶格中的节点位置、迁移到节点之间的位置或空穴位置的势垒所需的能量 就越大。 1 39 3 w 和t a 的焊接性分析 前人曾对9 3 w t a 的焊接进行了一些研究，如k a w a i 等人【1 4 】曾采用h i p 方 法实现了w 与t a 的焊接，但由于焊接接头处存在缺陷导致抗腐蚀性能低，降低 材料使用寿命；进一步提高焊接温度后，提高了焊接强度，但由于w 与t a 的再 结晶和晶粒粗化降低了材料的断裂韧性。而焊接温度的降低又会导致焊接强度 的降低；同时，t a 在加热到2 0 0 开始会发生氧化，5 0 0 。c 以上迅速氧化，并且 有吸收氢、氧、氮的特点，而少量的气体杂质对它的组织结构和机械性能会产 生强烈的影响。 可见，成功的实现9 3 w 与t a 的连接，必须采用合适的焊接方法和焊接工艺， 从而简便地控制焊接过程的进行，获得性能良好的连接接头。在所有的焊接方 法中，扩散焊接因具有一系列的优点，更适合于金属间的焊接。而中间层的添 加在保证焊接强度的情况下能够较好地降低焊接温度，从而获得焊接性能良好 的焊接构件。 中间层材料的正确选用对扩散焊接的性能非常重要，除了能够无限互溶的 材料以外，异种金属材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间层来进行扩 散焊接。中间层材料不仅在固相扩散焊接时使用，在液相扩散焊接中也比较广 泛使用，扩散焊接中使用中间层的作用主要有以下几点【ls 】： a 1 改善表面接触，降低焊接件表面的质量要求和焊接压力； b ) 改善扩散条件，降低焊接温度和短焊接时间； c 1 改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物或其它共晶组织； d ) 避免或减少因被焊接材料之间物理化学性能差异过大所引起的负面影 响，如残余应力过大或扩散空洞等。 因此，为了改善扩散焊接接头的性能，中间层材料的选用原则主要有以下 几点 1 6 , 1 7 ： a ) 一般采用硬度小的材料，易发生塑性变形，促进焊接界面的紧密接触和 减少内应力； b ) 与母材具有一定相溶性，不与母材产生不良的冶金反应； c ) 不会在焊接过程引起电化学腐蚀问题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 添加中间层9 3 w 和t a 扩散焊接的研究现状 a k i r ak o h y a m a 等人【1 8 】研究了n i 与w 的扩散焊接，最佳工艺为9 0 0 。c 1 h ， 拉伸强度为2 1 5 m p a ，在l h 时n i 与w 界面处为富n i 相n i ( ；2 h 时有金属间 化合物n i j 4 w 生成，并且n i 4 w 的厚度随着固溶体n i ( w ) 厚度的降低而增厚，表 明n i 4 w 的生成为包析反应。苏小鹏等人【1 9 】实现了9 3 w 与n i 的扩散焊接，获得 最高拉伸强度2 8 5 m p a 的焊接工艺为：8 5 0 5 m p a - 3 0 m i n ，焊接接头的断口形 貌为准解理断面和韧性断面共存，并且最佳工艺时得到的焊接接头的韧性断裂 区，韧窝深度明显加深，塑性变形最大。吴继红等人实现了w 与c u 合金的热 等静压焊接，w - c u z n 断面可观察到典型的解理断裂特征的晶粒，而晶粒边缘有 明显的延伸。苏小鹏等人实现了9 3 w 与q s n 4 3 的真空扩散焊接，8 5 0 。c 时抗拉 强度为1 9 7 m p a ，断口由准解理断裂和韧性断裂构成；主要依靠c u 元素和9 3 w 中的添加剂元素n i 相互扩散实现其焊接。m a h m a d 等人【2 0 】在1 1 5 0 3 h 真空条 件下研究了t a s s 3 0 4 l 的扩散焊接。研究结果表明，t a 不锈钢间能实现焊接， 但焊接界面粗糙，不平整。 通过文献查阅发现，目前尚未发现国内外学者对9 3 w - t a 之间添加中间层的 焊接的研究工作。综上可知，n i 与w 的焊接强度高于c u 与w 的焊接强度，同 时根据t a - n i 的相图可知，n i 与t a 之间有较大的固溶度，并且n i ( t a ) q bt a 的含 量随着温度的降低析出很少，即使在室温下t a 在n i 中固溶度仍然保持在1 0 a t 以上。n i 的塑性较好，在扩散焊接时容易通过塑性变形实现焊接表面的紧密接 触，为金属原子的扩散运动较为有利。所以考虑在9 3 w - t a 间添加中间层n i 。 1 5 本课题的研究目的及研究内容 本课题的研究目的是采用添加n i 中间层的方法对9 3 w 和t a 异种金属进行 扩散焊接研究，分析焊接接头的显微结构，探讨焊接工艺参数与焊接结构、性 能之间的规律关系，确定最为优化的焊接工艺；分析焊接机理，得到界面过渡 区的形成与元素扩散之间的规律。这有利于推动扩散焊接技术获得的9 3 w - t a 组 件的工程化。主要研究内容如下： ( 1 ) 9 3 w n i t a 扩散焊接的工艺研究：采用真空扩散焊对9 3 w n i t a 进行焊 接实验，实现9 3 w n i t a 异种金属的扩散连接，获得最佳工艺参数。其技术路线 如图1 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 9 3 w n i t a 扩散焊接接头强度与组织结构研究：利用剪切试验测定接头 的剪切强度；采用光学显微镜、e p m a 、s e m 和e d s 观察界面和剪切断口的显 微组织结构和元素分布，研究其焊接工艺参数与显微组织结构和性能的关系。 ( 3 ) 9 3 w n i t a 扩散焊的界面元素扩散研究：以一维非稳态扩散的f i c k 第二 定律为基础，通过e d s 对焊接界面过渡区的元素浓度分布进行实测，并利用 b o l t z m a n n - m a t a n o 分析方法对焊接界面附近的元素浓度分布进行数值分析，获 得元素扩散系数( d ) 与元素浓度( c ) 的关系方程，进而获得元素在过渡区的扩散系 数及扩散激活能，得到界面过渡区中反应层形成与长大的规律。 图1 39 3 w n i t a 扩散焊接研究的技术路线 f i g 1 3t h et e c h n i c a lr o u t eo fw e l d i n gr e s e a r c hf o r9 3w n 扩r ad i s s i m i l a rm e t a l 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第2 章实