（材料加工工程专业论文）fe3alq235真空扩散焊工艺及扩散机理研究.pdf

山东大学硕士学位论文 f e 。al q 2 3 5 真空扩散焊工艺及扩散机理研究 摘要 i ? e 3 aj 龠属m 化合物以其f 利磨、俐蚀、抗氧化、抗硫化等特性受到关 ；l ，f i l 其焊接叫题。随没有解决而难以舀j 程结构r p 火量成用。本文首次 利川t 真窄 r 孜焊技术，成功实现了f e 3 a 1 金属问化合物与低碳钢q 2 3 5 异 种材利的连接，利1 j 余十日疑微镜、纠揣f u 镜( s e m ) 、x ，射线衍劓( x r d ) 、 t 2 r 探钊( e p m a ) # i 透! ： u 镜等测试力法刈f c 、a i q 2 3 5 扩敝焊结合界的 裎微封i 织和性能进 jj 试骀研究，并刈者问的扩敝连接机制进行了探 h 。 试验结果表明，采川真空扩敞焊技术住10 5 0 0 0 。c 川i 热温度卜供 7 川坩川i 为6 0 r a i n 瓜力9 8 m p a 时，f e a i q 2 3 5 外f f i j 处j 侈成陀能良好的扩 敞过渡区。f e j a i 侧扩敞过渡区的显微硬度为h m 4 8 0 5 4 0 ，低j 。f e 3 a l ，l 佛j 矗微f i 5 f ! 度。x 一射线衍射( x r d ) ，透射电镜( t e m ) 研究表明，界面过渡区 篮仔九c 。f e 、f e 3 a i 和f e a i 相，没有【州鼹晌慈硬度脆性相，这对提高 ， h a i 0 2 3 5 抄做拦p 接义的r 蛳z , e 。脏e i 仃利的。抄股过渡恢t 内f e j a i 棚ja f i ? e ( a 1 ) 旧熔体之i uj 存在苻( 1 io ) h 。f 1 1 ( o l i ) f 。3 a l , h o o i 卜h ( a 1 ) 1 0 0 l i 。3 a l 的t 1 州小乎耿向天系。通过e p m a 对过渡区的元素定量分析，讨沦了c r 、 m n 几桑的过渡对接头性能的影响。 f e 3 a i q 2 3 5 接头断li 形貌，人多呈半糙情灰色纤维状断【一i ，断li 微观 l ! ；貌是以准解j 望为 ! 的j m ，弘。断门多发生订：坂界f 鲋靠近f e3 a 】侧处。 山东大学硕士学位论文 川i 寸夺文圭、l ：了j r 敝焊机删的理沦模型。【幺模型 _ t 二个部分组成：初 始冽性变形，扩撇椰* 4 j 变1 1 - hr 的界【f i 审洲收缩：抖嘶f j j = 1 i 使卒洞消失。 利川陔模型分析厂f e 3 a 1 q 2 3 5r j 自界迁移与再结d t j 的过程3 关键词：f e 3 a i 会属阳j 化合物真夺于r 敞焊纠织结构扩敞机删 山东大学硕士学位论文 s t u d yo nv a c u u md i f f u s i o nw e l d i n g p r o c e d u r ea n dd i f f u s i o nm e c h a n i s ：mo f f e 3 a i q 2 3 5 a b s t r a c t aw i d ea t t e n t i o no nf e 3 a ii n t e r m e t a l l i c c o m p o u n dw e r ed r a w nf o r i t s s p e c i a lp e r f o r m a n c es u c ha sr e s i s t i n gw e a r ，c o r r o d e ，o x i d a t i o na n ds u l f u r a t i o n b e c a u s ei t sw e l d i n gi sn o ts o l v e d ，i ti sd i f l c u l t yt oe x t e n di t sa p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e l t h eb o n d i n go ff e 3 a i i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n da n dq 2 3 5 c a r b o ns t e e ld i s s i m i l a rm a t e r i a l sb yv a c u u md i f f u s i o nw e l d i n gw a so b t a i n e d f o rt h ef i r s tt i m et h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r n a a n c e so ft h ef e 3 a i q 2 3 5 d i f f u s i o ni n t e r f a c ew e r es t u d i e d b y m e a n so f m e t a l l o g r a p h y ，s e m ， m h ，x r d ，e p m aa n dt e md i f f u s i o nl n e c h a n is mo nt i ) r m i n gt h ej o i n tw a s a l s od i s c u s s e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed i f f u s i o ni n t e r f a c oo t f e s a i q 2 3 5w a s c o m b i n e dw e l lu n d e rt h ec o n d i t i o no fh e a t i n g t e m p e r a t u r e 1 0 5 0 - 1 0 8 0 h o l d i n gt i m e6 0m i na n dp r e s s u r e9 8 m p a t h ed i f f u s i o nt r a n s i t i o nz o n e0 1 1 f c j a is i d ec o n s i s t so l 、f c l a i ，f e a ia n du f e ( a 1 1s o l i ds o l u t i o nd i s t r i b u t i n g c o n f i n u o u s ya h m g “1 ei n t e r f a c e w i t hm i c r o - h a t d n e s si sh m 4 8 0 5 4 0b e l o w t h a to ft h eb a s ef e 3 a i w i t h o u tb r i t t l e n e s sp h a s eo fh i g hh a r d n e s s ，w h i c hi s f a v o r a b l et oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ej o i n t ，c r y s t a lo r i e n t a lr e l a t i o no f ( 1 1o ) f c l a i j ( 0 1 1 ) 1 c 3 a i a n d f 0 0 1 1 ；、1 1 c f i ) 10 0 v c 3 a i b e t w e e nf e 3 a i p h a s e a n d ( 】一f e ( a i ) s o l i ds o l u t i o na l s oe x is t st h e r e 山东大学硕士学位论文 1 h em a c r o f r a c t m 。em o r p h o l o g yo l 、t h ef e 3 a i q 2 3 5j o i n tm a i n l yc o m p o s e o t 、c o a r s ea n dg la yf i b r e s h a p ef r a c t u r ew h i l et h em i c r o f r a c t u r em o r p h o l o g y i sm i x e df r a c t u r em o s t l yo fn o r mo n e a n dw i t ho b v i o u s l yt e n a c i t yh o l ea n d l a c c t a t e d e d g eo nq 2 3 5s i d e f i l ek e y l - a c l o r so n r u p t u r e a r eg a sa s s e m b l e d l br m e di nm i c r o s p a c ea n dt h es u r f a c ec o n d i t i o n i na d d i t i o n ，t h eh i g h e rl i n e e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t 1 0 w e rh e a tc o n d u c t i n gc o e f f i c i e n t ，c r y s t a l s t r u c t u r e ， d e f o r m a t i o nc o n d i t i o na n dg r a i nm o r p h y o l o g yo fb a s em e t a lf e 3 a 1w e l d e d c a u s el a r g e rh e a ts t r e s si sa n o t h e rm a i nr e a s o nf o rr u p t u r e t h em o d e lo fd i f f u s i o nm e c h a n i s mw a se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rw h i c h i n c l u d e dt h r e es t a g e s ：i n i t i a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n ：i n t e r f a c ev o i d s c o n t r a c t i o n d u r i n g d i f f u s i o na n d c r e e p d e f o r m a t i o n ；v o i d s c l i m i n a t i o n t h ei n t e r f a c e m i g r a t i o na n dr e c r y s t a l i z a t i o no ff e 3 a i q 2 3 5w e r ea n a l y z e db y t h i sm o d e l k e yw o r d s f e 3 a ii n t e r m e t a l l i c v a c u u md i f f u s i o nw e l d i n g m i c r o s t r u c t u r ed i f f u s i o nm e c h a n i s m j v 山东大学硕士学位论文 l 、绪论 近年水f c 。a ij i i 金属叫化、物( 1 m c r n a c t a l l i c sc o m p o u n d - i m ( 1 ) ，作为 类结构材料得到广泛关t 川。f 。f e 3 a i 金f n j 化合物以其酬腑、州蚀、抗氰 化、抗硫化等特性受到各国重视，各国都投入巨资进行研究，但由f 其焊 接问题没有解决而难以在：i ：程结构。p 大最心川。真空扩散焊是稿：商真空气 氛l j 连接零部件的一种先进工艺方法，州以连接那些用常规方法雕以连 接的利料，得剑光浩致密、具何较高结合慢度的优质连接接头。 1 1 选题意义 2 0f “纪9 0q - ：代以水f e a i 会腻问化仑物以其特殊地优越f l ：能受到肯 咪，q 2 3 5 作为应用最为、泛的工程 j 低碳锏，如果二i ：者成功连接将具柯 i 分广阑的应用酶景。但f e 3 a i 会腻问化合物的静、1 接性极惹，埘焊接条件 要求 # 常苛刻| 9 i ，尤其是f e 3 a i 与q 2 3 5 碳例或其他利利的焊接。f ex a i 5 jq 2 35 铡的物理和化学性能差异很人，难以采1 常规的熔焊方法进行焊 接i 协2 1 。扩散焊的方法避免了熔化时产生的接头部位的金属性能的变化和 外界环境对连接表面物理状态的不良影响，并使接头具有高度的可靠性。 近 f i 求人们对f e ，a 1 金属f hj 化合物的_ f ；j f 究卜要集一i ，j i 刈i c 品体结构、 f ? ，川f j ，冬、n j 二化反、i 、j 学一r k 能年f 】f 叫纠 j _ 为的f u f 究f ：。n ：_ f i 接。p f ：力m f ，j 内外的研究1 1 作人多集r tj 二1 ：艺性试验等方面的研究上2 ”，而且 人多数研究成粜还f i 理想。研究结果表明成功实现f e 3 a i 会属间化合物的 蚪接，刈操作哲的水、f ，及实际焊接条件都有较高的婪求，闪而所研究的 f 艺f 岛实际焊接臆f j 还铂j 芒距离。真。；。扩敞蝌技术的j 、v 川为成功。丈现 f e 3 a l 金捌问化合物j 低碳例q 2 3 5 的连接( 以r 简! i 为f e 3 a l q 2 3 5 ) 捉供了 i , j 能，f 见山丁| 真空扩散焊界研究的复杂性和受现有测试手段限制，对高 山东大学硕士学位论文 硬度脆性材料f e 3 a l 金属问化合物不同工艺参数( 温度、时间、压力、冷 却速度等) 与界丽结合强度、扩散机制、糙细细织结构以及年f 五：之1 1 = i j 的内 联系等的研究 艮少。l f i j i f e 3 a i q 2 3 5 界i f 【i 结合强度1 i 【艺参数、过渡 二；成分密切相关，但究竟哪些因素起实质性的作用，仍有待进一步研究。 f e 、a i q 2 3 5 异种新材料的真空扩散焊技术首要解决的关键问题：界面实施 ：艺和扩散结合机制。 本课题研究的f e - a l 金属问化合物新材荆真卒扩敞焊：i ：艺及界面微观 结构是目前焊接领域一巾的新兴课题，也足耐磨、州蚀材料加j ：研究中急需 解决的难题之一1 2 3 - 2 8 1 。本文在真空扩散焊条件卜通过计算机程序控制 系列工艺参数，攻克了f e a 1 金属间化合物新材料的焊接难题，并对其界 面成分、结合强度、微观组织结构进行深入研究，揭示了其内在舰律性，这 剥这种新材料的推广应用具有重大影响。解决f e a i 盒属删化合物新材料 的连接问题是! j 今围内外迫切需要进行的研究，具有，r 创性的意义。由于 真空扩散连接具有独特的技术优势，该项技术成果必将具有很好的应用 自0 景1 2 9 - 3 1 】。 本课题主要目的是利用先进的真空扩敝焊设备，采用直接扩敞连接方 法，实现对f e 3 a i 会属侧化合物与低碳 e 1 ( q 2 3 5 ) 的扩散连接秩得界面稳 定结合的性能优异的扩散焊接头。在此鉴础上对f e 3 a i q 2 3 5 异种材料结 合界面的物瑚冶会反应、界面微观组织结构以及扩散机制进行深入研究， d 求微观结构变化与扩散机制的内在联系，研究在扩散时原子无规则运动 的微观机制。j 实验测量的宏观物质流之州的关系，以保证高硬度脆性材料 豇窄扩敞p 接头质量的最健1 岂途径与1 ：艺参数控制，为该项技术的丌 发应用提供理论依据。 2 山东大学硕士学位论文 1 2f e j a i 金属间化合物焊接研究现状 i2 ，1f c j a i 金槭川化合物i 佝。陀能 f e ，a l 会属问化合物除j 二述所共有的优异特性之外，还以其低廉的制 f r , j z 本受到发展t ，家的菏崃。研究人员x , jf e a i 合金的反常屈服行为， 室温脆性，合金成分的理论设汁，微合会化刈f e 3 a i 性能的影响t f e 3 a i 合会的制备工艺等方f 酊进行了较全面的研究弦3 3 1 。美国橡树岭国家实验室 删究人员丌发出的f e 3 a l 合余不仅有良好的斛热、耐磨和耐腐蚀性能，其 ；! 温延伸率可达1 28 ，采用快速凝固t 艺制粉、热挤压固结的f e 3 a 1 合 命，其室温延仲率高达15 - 2 0 ，抗 t 强度高达9 6 0 m p a 0 2 i 。存我，从 8 0 年代中到9 0 年代中期，国家科委和有关部门先后把f e - a l 龠属问化合 物的研究列入“8 6 3 ”计划和一系列 i j 究越会汁划，使f e a i 盒属问化合 物的蜒础性研究有了长足进展【3 4 3 9 i 。由j ：其特殊的使刚性能，该材料已舀： 日审、化1 、核反j 世堆儿什、熔炉高温装臀、il l 磁i 什等众多领域获得广 泛成日d o - 4 2 1 。们必须指f e 。a l 金属问化合物的府川研究远远落后j ：, 1 4 t , 1 t i 删论研究，使这种，陀能优异的材料没能得到玎发利h j ，他推广应用受阻。 九f i 油化! 技热加i ：小j 一中t ，人毓存在不锈铡堆焊刚热铡的结构，若以 f c ，a j 合企墩代4 i 锈铡作为堆焊层，必将取得i i 人的经济效益。如果在普 通的铡结构佴卜附着i ? e 3 a l 层，对增强钢结构的耐蚀，) 时磨性，从而延 k 使| 寿命，1 仃m 常重要的摊广价值。从9 0 年代巾后明，很多研究人 0 j 始火汁探索、曩川化途径，似涉及刨这种材料的w 接, v j 力【f l f 的报甘j 伟n 勺少。 现阶段酬内外扩散焊的i | j f 究埘象也主要以铝合金及铝基复合材料，铁 j 是合会，饮棼合盒，巧i 锈铡，高渝合余，陶瓷等异种会属利料为t - 1 4 - 2 5 i ， 山东大学硕士学位论文 m 对先进的会属i h j 化合物的焊接性研究分析的比较少，凶而可以说本文的 ，“j 。t 刈盒j 禹i lj j 化合物 “敝t + t2 训f 究j 7j 定f 门色j 莉i r f 。 122f e 3 a l 金槭问化合物焊接性的研究 制约f e 3 a i 工程应用的主要障碍就是f e 3 a l 室温脆性和高温时强度较 低等问题，焊接是作为结构材料推应用的关键工艺，f e 3 a i 基台金焊接 陀的研究已引起了人们的关注【4 3 _ 5 3 l 。但山 f 。3 a i 螭合会布：窀温f ，脆一肚 火，塑性低，因此对它的焊接f j 分i i _ ；i 难，限制了它作为一1 ：程材利的应”j 。 f e ) a l 基合金存在的缺点之一是其室温力学性能低，而其力学性能义 受材料的化学成分和显微组织的显著影响。有关f e 3 a l 基合金焊接工艺的 研究还只处于起步阶段，已丌展的工作有氲弧焊接、手工堆焊、电子束焊 等熔焊方法。 文献1 4 3 】研究了氩弧焊工艺对f e 3 a l 会属削化合物的力学性能的影 响，指出了f e 3 a i 金禹阳j 化合物的焊接性能对于焊接条件和合会成分是非 常敏感的，f e 3 a l 合金作为堆焊层时组织都为粗大的柱状晶组织，因而恶 化了接头的力学性能，使其接头区域成为l ：程结构中的薄弱环节。 阂学刚等人将f e 3 a 1 合金制成焊条，用手弧堆焊( m a s ) 方法将f e ，a l 堆焊在奥氏体不锈钢基体上，对堆焊层组纵形貌进行了分析，但最终 所得结论是，也必须在堆焊前预热5 0 0 ，焊后7 0 0 。c 退火处理后才可以 # f j ! l 尤裂纹的f e 3 a l 堆焊层。 d a v i d d 5 m c k a m e r y l 4 6 1 等对o 7 6 r a m 厚f e 3 a i 基合会薄板焊接特点的 形f 究表f i 爿，合会的化学成分和焊接工艺参数埘焊接性有很火影响，采用钨 极氩弧焊时从有相：严格的j ：艺条件下，j 县有定的焊接性。但对焊接填 充材料的研究尚少见报道，且所讨论的都是o 7 6 m m 厚的薄板，而对更厚 山东大学硕士学位论文 的板材没有作进一步的研究。文献f 4 7 】对1 - 2 r a m 厚的f e 3 a l 薄板的焊接性 进行了研究，分h 0 采 j 了电子束焊( e b w ) 和钨撇瓴弧焊f g t a ) 两种焊接方 刊、刈f e 3 a l 会属i u j 化合物基合金试样进行了焊接性分析，但发现这种方法 也很难避免裂纹等缺陷的产生。现阶段，f e 3 a 1 基合会焊接性研究用的主 要焊接方法，如表1 1 所示。 表1 1f e 3 a i 焊接性研究所用的焊接方法 焊接方法现圳究成粜 i 艺对f e 社i 金属间化合物焊接接头力学性能有较人影 氯弧焊 响，焊接性能对丁焊接条什和台金成分是1 卜常敏感的。 焊前需预热，焊后需采川合适的退火热处理j ：艺，否 手弧堆焊 堆焊层易开裂l 。 国山：研究r 焊接l ：艺参数对薄板g t a 焊缝开裂的影响 钨极瓴弧焊( g t a )国外：研究了不同灶! 接速度卜，f e j a j 的辉接性。结果表 明c r ，n i ，c 含颦的变化对焊接性有重要影响1 5 0 - 5 3 1 。 f e a 】基台金表现良好的焊接性，热变形小焊缝窄 电于求焊( e b w ) 质越商，性能女，仙仃刚会有微裂纹，“：乍。 扩散口t 接( d w )除本试验外无柑笑的参考文献。 1 2 _ 3 扩散焊机制的研究与发展 扩散焊通过界面原子问的相互作用形成接头，原子悯的相互扩散是实 小连接的磬础。异种材料扩散焊t 能q 二成界晰生成物，其形态刈材料扩敞 卅接头性能有很大的影响汁”1 。 崮念内扩敝有以卜儿种机制5 8 j ：空位机制、间隙机制、轮转机制、 双原予机制、和挤列机制。窀位机制、轮转机制、双原子机制的扩散可以 山东大学硕士学位论文 = = = ：= = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = 形成。占换嘲溶体，削隙机制c q 以形成问隙式蚓溶体，只f j 原予体积小的 儿素，如氯、删、碳、氮等4 宵这种扩敞j | j ；。m l | jj f e 3 a i 结构具有超 正潲：的特殊结构，形成了f e 3 a t q 2 35 扩散过氍 ，f l 勺特殊形式，因而本文 就对这种特殊品体结构所产生的特殊扩散结合过程进行了详细的探讨，并 分析这种超点阵结构对其扩散机制的影响。 由于优质扩散连接接头的形成涉及元素扩散、材料棚变、界而反应等 因素，且影响工艺参数很多，为了获得稳定的优质接头，长期以来人们试 剐从建立元素扩散，界面反应及接头应力应变等相应的数学模型出发，研 究基本规律，找到接头质量与工艺参数的关系，达到接头性能设计与控制。 对扩散连接行为的模拟，现阶段主要在三个方面进行了研究1 5 “，如图1 1 所示。 行接 为儿 的物 模上里 拟接 触 技仇 儿许 ，竖“l 化州 麓萋 鲢 蔫 反 应 甚 的 形 吨 解 析 法 行接 为义 的变 模彤 拟j j 证 1 l 图1l 扩散连接接头行为数值模拟的发展现状 本文针剥f e 3 a i q 2 3 5 扩散焊过程，具体分析了原子扩散的路径及材 山东大学硕士学位论文 利界砸元索问的相7 7 ：物理化学作 j ，并利用再结晶机制分析了品粒凝合、 成k 、长人以及最后使界空洞逐步消失的过程。 1 3 课题研究丰要的内容 小课题的研究内容】：耍有以p 儿个力+ ： ( 1 、f e 、a i q 2 3 5 其，卜 j “敞1 【+ z 1 】 可t ：f l 川从足c e n t t o r v a c u u m t a d u s t r i e sc o m d a n y ( 简称c v i 公卅) ，j l 进的县仃世界领先水、卜的真空扩敞 焊设备，通过计算机程序设计与工艺参数( 如温度、压力、压头位置、行程、 冷却速度等) 的控制，实现对f e 3 a i q 2 3 5 异种t 新材料的真2 卜扩散焊连接。 ( 2 ) 界面附近微观组织结构及断裂形忿研究：引刘f e 3 a i q 2 3 5 钟种新 利料的真空扩散焊接头，研究界面附近i 蔓域的扩敞特。陀及过渡区晶体位 向关系，及其对断裂形态的影响，主要包括界面相类型、扩散过渡层的显 微结构特征、结合界面的断裂机制及控制因素等，为f e 3 a 1 q 2 3 5 异种新材 利真，扩敞蚪墩f ji 艺的确定提供理沦依捌。 ( 3 1 扩敞连接机制的研究：从扩散连接的理论研究斥f 1 乍j “：应用出发 建立f e 3 a i q 2 3 5 界丽扩敞理论模型，揭示扩敞区元素扩敝及界而的形成 机制，挖掘f e 3 a i q 2 3 5 固态扩散焊时的耩本规律。 山东大学硕士学位论文 2 、试验材料、方法及设备 2 1 试验材料 试验利料为f ? c 、a i 金榭州化合物 l 】q 2 3 5 碳川f e ：a i 乃采川“。i i 感 j 、i 熔炼成的铸锭( 纾1 0 0 0 。c 均匀化遐火) 经热4 l 一温轧 j l 合i 岂轧成的扳 利。f e 3 a l 材料的化学成分及热物理性能见农2 1 仃序临界杨氏模茸： 熔点热膨胀崭膻 o j ，占 结构温豆o p a 。c系数 g i n 。 m p ah r c 。c1 0 。k 。1 堕q 3i ! !l ! ! ! i ! !l l i! ! ；! ! ! ! ! i 式验川q 2 3 5 钢是禽碳量小 ：o2 57 低碳钏，具有良好的塑性和韧h - 。 这种铡的j 焊性优良，是f ：程建设中用基最多，应用范围最广的低碳结构 训。q 2 3 5 俐的化学成分肢力学性能如表22 所示。 裁22 q 2 3 5 铡f | q 化。成分技力。、r l 能 一韭、塑! 坌i 型! 墅! 一nh s 1m 1 1s pm p a 2 15 62 5 2 2 试验方法、设备及过程 ( 1 ) 焊日h 准备 山东大学硕士学位论文 将f e 3 a i 和q 2 3 5 试扳迭合在一起进 ? 真窄扩敞焊，被焊表面焊前采 川机械年化学力+ 浊：除f q ：材农嘶氯化膜。扩f f w 刈破焊i 栩料农i i i 状态要求 铰l ：，表幽状态刈 敞蜱接头的质戬的影响悱常例 。从实际情况来看， 个侍怎f t 消理农_ f i f ，农l n ij ：也足，f n ：投膜的，表l m 腆的升 成立陶21 所 _ i 。这种农叫层般址仃儿| ，个埃i f j 钣化腆和卜5 p m 的仃机物分r ：锕i 川战n 0 ，这种氧化脱千l i 吸附层将严r n ：m f 余槭扩f 段蚪。小次b 弋验过杯一h 没有经过表面打磨的试件进行连接，焊什焊合的儿率 | 常的低。所以，焊 f m 首先必须严格地进行精细加工、磨平及再抛光和清沈去油，以获得尽可 能地光洁和无任何杂质的表面。 6 l ， 7“7 + 2 - 蹦i ：- - o j - 。- 。1 一 j 警辫i j 蠢1 _ ：；，j i j i “j 蔓、7 j ：7 _ ： f e 3 a i 基体2 一变形l 文3 氧化层4 7 t 体i j 及附层5 - 水u 及附j 。：6 极化分f 层 图2 1 f e j aj 金属表面膜的纣l 成示意矧 ( 2 ) 试验1 ：艺参数的选择 材料的扩散焊足以材料物理表面出于j l ：裂的原子键具有“结合”能力 为琏础川7 - 8 1 。通过真窄或其他净化袭i 面的方法并施加定f | _ | 压力，就 九i ，j 能利j 1 ji ：述原f 结合力，来连接两个乖两个以卜的表而，随后表面产 生的扩敞过程提高了这连接的强度。扩散焊接要求有一足够的挤压力， 以便使焊接表面之问的距离缩短到原子之例力的相互作用半径。连接某一 山东大学硕士学位论文 利料所需的胍力应足以消除 j 件表i 仃i 微观的1 ：、严度。扩散连接过程j 丁以火 撤分为! 个阶段第阶段为物删接触阶段，所湍p 小、0 嵌f f | f ，在外 枷l 、j 的住卜，通过心服删蝙变机理使o j j _ 阿先达剑趔+ r l ：变形， 1 ：持 续小力的作j f 】f ，接触面积逐渐扩大，最终达到整个向的可靠接触。在这 阶段之k ，界面之州还有空隙，但其接触部分则基本e 已是晶粒f 日j 的连 缓：第阶段址接触界嘶原r 删的州亿扩散，形成。 ：的结合层。这1 阶 段，i jj 二品界处原j 持续扩散而使许多。产隙消失。川州，界i j 处的品界辽 移? 罱1 了接头的原始界i 而，达剑了、 衡状态，似仍有硼：多小卒隙遗留在品 粒内：第三阶段是在接触部分形成的结合叠，逐渐向休秘方向发腱，形成 州靠的连接接头。存此阶段，遗尉下的窄隙完个消失了。这! 个过程是相 f 交义进行的。最终侄接头连接f 墨域j 二 ：r 敝、i l 绐。i f 】等过程晰形成幽念 冶金结合。 - 1 7 “敞连接i 一艺参数龃接j # 1 1 1 ；, i 接头的界晰结构及应力分饥，从而影i j 向接 头f 内使盼e ：能。母材冶盒物理性能、焊件表面状态、加热温度、三力、扩 敞f 寸m 等嚣j j 琏影响扩敞蝌接过程及接头质鞋的丰要闲素i 8 1 。 f c 、a l 0q 2 3 5 扫：手j 敞鹊i 接d i i 觏i 过札! t ，会广。l ：系列物i b 的、化。# “】、 力。的j 冶金方嘶的变化，f 叮这些变化 j j 要“接或州接地膨f 帕剑扩做焊接 过刷殷接三l 质戢。p , - j 咖濉度足这l 岂的天键w 豢。n | 越九眄利，j 燕体冶 金物理特性方l f l i 的限制，加热温度太高，母材晶粒长犬、中间会属州化合 物不断加厚使接头强度降低川。最合适的温度7 1 般为：t 一07 n ，。试 验表明，选择1 0 5 0 1 1 0 0 是可行的。 眼力愈人、温度愈黯】，界嘶处紧密接触的面积也愈多，压力小产生界 孔捌，阻碍t f z 粒7 e 长和隙f - 穿越界丽的扩敝迁移。山于铁、铝原子具有 - l o 山东大学硕士学位论文 小川的扩散速度，造成了通过界嘶向其阿侧扩散辽移的原子数量不等，产 牛k i r k e n d a l l 效应即扩散窄洲。删时受胁种材利物删- p p 能的影响，压力 小能太大，试验证明，选择焊接压力为98 m p a r 避免或减少界面扩散空 洞的产生。 时间过长会使过渡层区晶粒长大生成的会属问化合物层增厚，致使 接头强度。f 降。试验表明，在1 0 5 0 1 lo o 的焊接温度下，扩散时i n j 为 6 0 r a i n 时，接头界面结合较好。扩散时间超过6 0 r a i n 时，过渡区所生成的 f e a i 会属问化合物会增厚。 试验中采用的真窄扩散焊工艺参数为：加热温度t = 1 0 5 0 1 1 0 0 c ：保 沾j jt = 6 0 m i n ，爪力p = 9 8 m p a ，压力的主要作用是使界面附近产生塑 性变形后达到紧密接触状态。f e 3 a i q 2 3 5 扩散焊过程的工艺参数示意图见 图22 。 t ， ，pa 1ooo、 0 、 j ，j、 _ 6 ：l i 7so _ 5oo ? 25o t i m e r a i n a j ：页抽真空时间b 、d 、f - - - 升温, , j - r b 3 c 、e 、g 一保温时间h 一真空冷却时间 图2 ，2 f e 3 a i q 2 3 5 真空扩散焊工艺参数示意图 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 试验采用的主要设备 采川从炎闯r j 进的w o r k h o r s ej i7 弘真。一扩敝蚪 殳箭，川热功率4 5 k v a ， 3 0 t 舣作j f j 液i l i 加1 , 2 ，试验时真窄度达剑5 1 0 t o r r 。所川嫂备的中婴，n 能指标如表23 所j 表2 3w o r k h o r s ei i 型真空扩散焊机的主要性能指标 陔改备的t 要特点足： 1 ) 全自动真- 己系统：采州德【茸l e y b o l d 系列真扩散泉，德川l e y b o l d 系列d 4 0 b 真卒机械泉，炎旧g r a n v i l l e 真窄仪表。 2 ) 温度j f i 力程序控制：加热、加压和冷却采用h o n e y w e l ld c p 一5 5 0 仪 农数j i 程序控制。包括9 9 级程序，能自动调节，有计算机接口。 3 ) j 姒； 5 aj 笾j q i ：i | 1h o n e y w e l lu d c 2 0 0 0 数字指玎仪控伟0 。 4 ) 托摩什柑：ihh o n e y w e l lu d c 3 0 0 0 数字控制。 5 ) 数 处理汇求仪：h o n e y w e l ld p r 3 0 0 0 数字仪表。8 通道计算机接 l 】。 术i ：试验采川的良窄扩散焊设备原i 翠示意如图2 3 所示 1 2 山东大学硕士学位论文 f 。卜拈一。一 l f 液压泵 真空炉体扩散泵机械泵 0 控制按钮 控制阀门 图2 3 真空扩散焊接设备原理示意图 试验中基体材料及扩散焊接头区的组织、结构分析时使用的仪器、设 备见表2 4 。 焊后在焊接接头区域利用线切割制切取试样，经打磨，抛光，腐蚀制 备成一系列的金相试样。在光学显微镜及扫描电镜下，对界面两侧附近区 域组织进行观察。 元素的过渡分布是利用电子探针( e p m a ) 钡4 定，测定区域的选择如图 2 4 所示。所测量的点，是在同一直线上的六个点 界面 一- 0 + + 一 f e 3 a i 侧过渡区q 2 3 5 侧过渡区 图2 4f e 3 a l q 2 3 5 扩散焊接头e p m a 测定区域的选择示意图 j【 r 一 川一 山东大学硕士学位论文 进行显微硬度测定时，试验载荷2 5 9 ，加载时州1 0 s 。采用4 0 0 放大 卅数进行观察。将加f 。好的试样分别从l ? e 、a 】删j 1 始，沿肖线等距离跨 ! i ! l j ，进 j + - 微 幔j 叟测定。 冲片断f _ 形貌，在高视频显微镜k h 2 2 0 0p 观察。 表2 4试验中采用的仪器、设备及测试目的 仪器、醴祷测试h 的 j x j 】6 a 刑光学辊微镜观察拥彭 2j x a 8 4 0 州 j 描【u 镜观察荩体、过渡k ! - j 界面的鼹微组织、断 高视频显微镜k h 2 2 0 0i 形貌 3e d a x 刊能潜分析仪分忻界而成分 4 j c a x 一7 3 3 l ul u j 探t j分析儿裘分伽 5d m a x ，r c7 x 射线衍射仪分忻界而的物牛阻州成 6 、h i t a c h fh 一8 0 0 透劓l 乜镜分析界衙微删物槲结构自i 成特征元豢 j x a 一8 8 0 0 r uj ，探引过渡定 i ：；：分析 7s h i m a d z u 显微馁度汁 界面显微埂度分布 8h r f 5 0 a 犁洛氏碗度计测骷材料两删及界面的宏观硬度 9x q f 一2 0 0 0 w 强微i 纠象分忻仪 测划敞卜t 域l j i 粒j t 、人小 山东大学硕士学位论文 3 、f e 3 a i q 2 3 5 扩散焊接头的显微组织分析 3 1f e 3 a i q 2 3 5 接头金相、扫描组织 扩敞焊接的接头f 如示意陶3 1 所示) ，般有界面l ：及靠近界面两侧 的扩敞过渡区组成。山j f e 3 a l jq 2 3 5j 占体的州腾蚀。r l ：座钟 世人，试验 i t 分别川发烟能酸和硝峻酒精溶液刈试样进行腐蚀。f e3 a i侧, q - j3 6 5 的发烟黼酸腐蚀，低碳钢- i n 用3 硝酸酒精溶液进行腐蚀。结果发现经 真空扩散焊接的f e 3 a i q 2 3 5 界面，具有明显的扩散特征，扩散界面相互 交错，其组织形貌如图3 2 所示。f e 3 a l 一侧的显微组织越过界面向q 2 3 5 侧连续地延展，界碰量镶嵌状互相咬合。f e 3 a l 侧晶粒粗大，同时在品 抖处连续分钔何大艟的c e f e 棚析h j 物i ( 见陶33 ，图3 4 ) 。靠近f e 3 a i 侧界面过渡区由于c r 、z r 、b 等元素的扩散聚集使过渡区元素多元合金化， 显微组织大多为等轴晶。q 2 3 5 碳钢侧过渡区，j b 于a 1 元素的过渡扩散， 使q 2 3 5 基体中的铁素体品粒更加幸h 大，并目界面附近几乎全部为铁素体， 这t - 要是m 于a l 为铁素体化元素的影响，i5 f ，卡讧的更加卡h 大也表明了焊接 界f 自f 发7 卜了再结晶的过程。 界向 q 2 3 5 n 过渡区 劁3i 扩散焊接的接头的小息i 冬ji 刘32 界呵状态1 0 0 山东大学硕士学位论文 幽3 3 过渡j 叉：聚集的析出物3 0 0 0 x 3 4 f e a i 侧的弥散强化相2 0 0 0 q 2 3 5 钢的扩散焊接时，首先从室温加热到奥氏体化温度t 。，然后保 温扩散和冷却。q 2 3 5 钢奥氏体化温度t a 在8 6 0 9 0 0 之间。在真空扩 敞焊接过程中，由于在焊接接头的接触面上有许多微小的凸起，在压力的 作用下，两平面的接触点上产生塑性流变，使焊接表面实现最紧密的接触， 为界面原予的相日：扩散创造了必要的条件。1 二甥性流变引起位错增殖而 甘致点阵畸变区增多，为再结晶形核提供了更多的位置，使再结晶后的晶 粒得到了细化，从而在焊接界面区形成了细小的等轴晶粒，如图3 5 所示。 随着温度的升高，便依靠吞并小品粒而生成个别大晶粒( 如图3 6 所示、。 当温度进一步升高时，大晶粒的数量逐渐增多，直到最后无小晶粒可“吞 食”为止。 蚓35q 2 3 5 侧再结晶形成的等轴品粒2 0 0 0 x 图3 6 q 2 3 5 侧品粒的长大15 0 0 x 1 6 山东大学硕士学位论文 f e ，a l 材料具有粗大的晶粒组织，其晶界滑移能力低，扩散通道少f 4 ”。 女i 一接结合面初始形态受粗糙度影响呈微齿状的接触，在一定外力作用f 真 。火接触部分的利料所受n 三应力较人，从而使按制 嫩处发7 i j 热甥性变形，导 致接触面结合。这种结合将随着结合面积的增大而难以继续进行，最终留 r 部分未被材料塑性流动填补的微孔隙( 如图37 所示) ，同时由于原子具 有彳i 同的扩散速度而产生的k i r k e n d a l l 效应是形成显微孔洞的原因。同时， 件焊接i 面 ? 发，l 的微区热塑性变形将导致动忿再结品，造成焊缝处届微箜i 纵与甚体之州形成差异。显微组织不均匀性及焊接结合阳j ：微孔隙的f f ，致使焊接构件容易沿焊接面断裂，接头力学。陀能较低。 37 f e 、a i q 2 3 5 扩散过渡区的显微组织孔涧 3 2 过渡区显微硬度分析 分别利用显微硬度计和洛氏硬度计对f e 3 a l 基体、界面过渡区及q 2 3 5 碳钢等不同区域进行了显微硬度及宏观硬度的测定，其测定位簧和测定结 粜如罔38 ，39 ，3 1 0 分别示出。结果表明，从界面近q 2 3 5 侧过渡区， 越靠近界面，其显微硬度值升高( h m 4 8 0 - 5 4 0 ) ，但与f e 3 a l 基体( h m 5 0 0 ) n 比仍然偏低，且显微硬度与宏观硬度测定结果的趋势，二者基本一 敛。 山东大学硕士学位论文 ，7 ， 丫、 j a 2 3 5 f e p j 一 7 d i s t a n c e m m 幽38 过渡区显微便应测定能拦2 0 0 蚓3 9 扩散界而附近的显微埂度分确 一 ，一 -7 。、 0 2 3 5s i d e f e 3 a is t d e - d i s t a n c e m m 幽3 ，1 0f e 3 a i q 2 3 5 扩散焊接头洛氏埂度分布 i t f e a i 平衡棚图( 图3 1 i 为f e a l 平衡局部相图) 可以知道，f e a l 金属川化合物：二元相图可以按成分分为富f e 和富a 1 两个相区，每个相 k 义l | j 按温度大致分为高温区和低温区两个部分。富f e 区f e a 1 会属 叫化合物往高温凝固时，会出现y 、a 和o2 ( 即f e a i 有序相) ：个年h ， 冷却剑低温时，则主要存谯y 、o2 和f e 3 a i 有序相三个棚1 4 “。 而根据a l 含量的，f i 州，可以形成一系列的金属日j 化合物，a l 含量 垂8m皂苎 山东大学硕士学位论文 为139 2 0 能形成超点阵结构的f e3 a i ，a i 含挝2 0 3 6 1 j , 形成 l ? c a l i ”i 。f e a i 系介金川能形成的金心叫化合物