（材料学专业论文）be中间层hr1不锈钢扩散连接工艺和机理的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 铍属稀有金属，因其具有密度低，比强度和比热容高以及导热性好等优点， 被广泛运用于核能、航空和航天工业。铍的缺点是延展性差，脆性大，从而给铍 构件的设计和制造带来不少困难。另外，铍的化学活性高，在高温下极易氧化， 它与许多金属能生成脆性的金属间化合物，影响构件的性能和使用寿命，因而研 究铍不锈钢热静压扩散连接工艺、成分、组织、结构和性能的关系，具有重要的 理论意义和实用价值。本文在铍h r 。l 不锈钢热静压实验研究的基础上，通过对 铍铜h r 1 不锈钢、铍铝h r 1 不锈钢和铍银一铜h r 1 不锈钢热静压后成分、 组织、结构和性能的研究，得出了以下结果： 1 ) 铍铜h r 1 不锈钢热静压时，因铜在铍中的固溶度大，在铁、镍、钼和铬中 的固溶度小，故铍铜之间的扩散既有沿晶界扩散，也有晶内扩散；铜在不锈钢 中的扩散主要为沿晶界扩散。因此，铍铜h r 1 不锈钢热静压时，出现了明 显的铜往两侧不对称扩散现象。 2 ) 室温时，铝在铁中固溶度约为1 0 ，与铍基本上不互溶，两者形成共晶。因 此，铝在铁中的扩散既有沿晶界扩散，也有晶内扩散，而在铍中的扩散主要为 沿晶界扩散。 3 ) 铍银一铜h r 1 不锈钢热静压时，因铜在铍中的固溶度大，银在铍中的固溶 度小，铜往铍中扩散容易进行，导致银铜合金中的银铜分离，也导致中间层往 两侧的不对称扩散现象发生。 4 ) 铍中间层h r 1 不锈钢热静压后得到的都是层状组织，层状组织的层面近似 垂直于外力方向，层与层之间近似平行。 5 ) 铍中间层h r 1 不锈钢热静压试样的失效断口均为脆性断口。 6 ) 铍中间层h r 1 不锈钢热静压时，除两基材元素间形成金属间化合物外，中 间层的合金元素也将与基材的元素形成金属间化合物。 7 ) 几种实验方案下的试样的抗拉强度从大到小的排列顺序为：铍银一铜h r 1 不锈钢，铍铜h r 1 不锈钢和铍h r - 1 不锈钢。 8 ) 选用的中间层材料的元素应尽可能与基材的元素互相固溶或生成混合物，尽量 避免产生脆性的金属间化合物。 9 ) 压力的作用，不仅仅是使连接界面的接触面积逐渐扩大它还将使试样产生动态 形变再结晶和扩散性蠕变，也能影响扩散焊区的扩散速度和晶粒大小。单轴向 压力作用下，基材或扩散焊区可能出现织构。 关键词：铍，h r 1 不锈钢，中间层材料，热静压，扩散 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m e t a lb e r y l l i u mi st h er a r em e t a l s ，a n di sw i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r yo fn u c l e a r , a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h td u et ot h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wd e n s i t y , h i g hs t r e n g t hr a t i o ， l l i g hs p e c i f i ch e a ta n de x c e l l e n tp r o p e r t yo fh e a t b u tb e r y l l i u m sh i g hb r i t t l e n e s sa n d l o wd u c t i b i l i t ym a k ei t sc o m p o n e n td e s i g na n dp r o d u c i n gm u c hd i f f i c u l t y f u r t h e r m o r e ， b e r y l l i u mi sa na c t i v ee l e m e n t ，w h i c hi sp r o n et of o r mb r i t t l ei n t e r - m e t a l s ，w h i c h i n f l u e n c et h ec o m p o n e n t su s ea n dl i f e s or e s e a r c h i n gt h ed i f f u s i o nb o n d i n gi nt h eh o t i s o s t a t i cp r e s s i n gb e t w e e nb ea n dh r 一1s t a i n l e s ss t e e lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h e o r ya n dp r a c t i c e ，e s p e c i a l l ys t u d i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n gd i f f u s i o nb o n d i n g t e c h n i q u e ，c o m p o n e n t s ，s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e s t h ec o m p o n e n t s ，s t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e so fd i f f u s i o nb o n d i n g si nt h eh o t i s o s t a t i cp r e s s i n go fb e h r - 1s t a i n l e s ss t e e l ，b e c u h r - ls t a i n l e s ss t e e l ，b e a 1 h r - 1 s t a i n l e s ss t e e la n db e a g - c u h r - is t a i n l e s ss t e e lh a v eb e e ns t u d i e di nt h i si t e m , t h e c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) d u r i n gt h ep r o c e s so fh o tp r e s s i n go fb e c u h r - 1s t a i n l e s ss t e e l ，t h es o l u b i l i t y l i m i to fc ui nb ei sl a r g e rt h a ni nf e ，n i ，c ra n dm o t h e r e f o r ec ud i f f u s e si n t ot h e b en o to n l ya l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e sb u ta l s ot h r o u g ht h eg r a i n s ，w h i l ed i f f u s e s a l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e sl a r g e l yi nt h es t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hi sw h yt h e r ei sa n o b v i o u sa s y m m e t r yd i f f u s i o no fc ui n t ob ea n ds t a i n l e s sd u r i n gt h eh o tp r o c e s s i n g 2 ) t h es o l u b i l i t yl i m i to fa 1i ni r o ni sa b o u tlo a tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h e r e a si td o e s n o td i s s o l v ei nb en l e yf o r me u t e c t i c s od u r i n gt h ep r o c e s so fh o tp r e s s i n go f b e a i h r - 1s t a i n l e s ss t e e l ，a 1d i f f u s e si n t ot h ei r o nn o to n l ya l o n gt h eg r a i n b o u n d a r i e s ，b u ta l s ot h r o u g h o u tt h eg r a i n s ，w h i c hd i f f u s e sm a i n l ya l o n gt h eg r a i n b o u n d a r i e si nt h eb e 3 ) d u r i n gt h ep r o c e s so fh o tp r e s s i n go fb e a g - a u h r - 1 s t a i n l e s ss t e e l ，t h es o l i d s o l u b i l i t yl i m i to fc ui nb ei sl a r g e rt h a nt h a to fa gi nb e , s oi ti se a s i e rf o rc ut o d i f f u s ei n t ob e ，w h i c hl e a d st os e p a r a t i o no fa ga n dc ui na g c ua l l o y sa n d a s y m m e t r yd i f f u s i o no fi n t e r m e d i a t el a y e ri n t ot h et w os i d e s 4 ) a f t e ru n d e r g o i n gt h eh o tp r e s s i n g , t h e r ea r el a m e l l a rs t r u c t u r e si nb e i n t e r m e d i a t e l a y e r f i r 一1s t a i n l e s ss t e e l s ，a n dt h el a m e l l a rl a y e r sa r ea l m o s tp e r p e n d i c u l a rt ot h e o u t s i d ef o r c e sd i r e c t i o n ，w i t ht h el a y e r sa l m o s tp a r a l l e l i n gt oe a c ho t h e r 5 ) f r a c t u r e so fb e i n t e r l a y e rm a t e r i a l s h r 1s t a i n l e s ss t e e l sb o t ha r eb r i t t l e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 6 ) d u r i n gt h ep r o c e s so fh o tp r e s s i n go fb e i n t e r l a y e rm a t e r i a l s h r is t a i n l e s ss t e e l ， d e m e n t so fi n t e r m e d i a t el a y e ra n dm a t r i xf o r mi n t e r - m e t a l l i cc o m p o u n d s ，懿w e l l a sd e m e n t sb e t w e e nt w om a t r i xm a t e r i a l s 7 ) t e n s i l es t w a g t ho fb e a g - c u h r - 1s t a i n l e s ss t e e li sl a r g e ra m o n gt h et e s t e d m a t e r i a l s ，弱f o l l o w e db y 也a to fb e c u h r - 1s t a i n l e s ss t e e la n db e h r - 1s t a i n l e s s s t e e l s 8 ) e l e m e n t so fc h o s e ni n t e r l a y e rm a t e r i a l ss h o u l df o r ms o l i ds o l u t i o no re u t e c f i cw i t h t h a to fm a t r i xm a t e r i a l sa sp o s s i b l ei no r d e rt oa v o i dt h ef o r m a t i o no fb r i t t l e i n t e r - m e t a l l i cc o m p o u n d s 9 ) p r e s s u r en o to n l ym a k e st h ec o n t a c ta r e a so fc o n n e c t e di n t e r f a c ee n l a r g eg r a d u a l l y b u ta l s oc a u s ed y n a m i cf o r m e dr e - c r y s t a l l i z a t i o na n dd i f f u s i o nc r e e p ，w h i c ha f f e c t s d i f f u s i o nr a t i oo fd i f f u s i o nw e l d i n gz o n e sa n dg r a i ns i z e m a t r i x e so rd i f f u s i o n w e l d i n gz o n e sm a yf o r mt e x t u r eu n d e rp r e s s u r eo fas i n g l ea x l ed i r e c t i o n k e y w o r d s ：b e r y l l i u m ，h r - 1s t a i n l e s ss t e e l ，i n t e r l a y e rm a t e r i a l s ， h o ti s o s t a f i cp r e s s i n g , d i f f u s i o n i u 独创。i 生声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重庭太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：庄户术 签字日期：矿v 年胄三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将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、汇编学位论文。 保密( v ) ，在- 三l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“ ) 学位论文作者签名：压。木 签字日期：护勿年乡月2 日 导师签名：阗上去戴 签字日期：弘。争年厶月7e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l绪论 1 1 问题的提出 新型材料特种连接技术在我国经济建设中发挥着越来越大的作用。在现代化 的设备和仪器中，个别部件的材料要承受特别巨大的负载或者承受反应物的激烈 侵蚀。显然，这样的结构，整体全部采用贵重的特殊合金或特殊非金属材料来制 造会使生产工艺过程复杂化和显著提高造价，因此，对金属与金属，甚至是金属 与非金属间的连接进行研究，便提到议事日程上来了。随着材料科学的发展，新 材料的不断出现，在生产应用中，经常遇到新材料本身或与其他材料的连接问题。 一些新材料，如陶瓷、金属间化合物等和一些特殊的高性能构件材料的制造，往 往要求把性能差别较大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢等连接在一起，用传 统的焊接方法，很难实现可靠的连接。为了适应这种要求，近年来作为焊接方法 之一的扩散焊技术引起了人们的重视，成为连接领域的研究热点，正在迅速发展【l 2 1 。特别是真空钎焊和真空扩散焊技术可以连接那些用常规方法无法连接的材料， 实现高强铝合金、钛合金【3 】、镍基耐热合金【4 】、高硬度脆性材料( 如陶瓷金属、 f e - a 1 金属间化合物等) 的扩散连接【5 l 。这种方法实际上排除了外界环境对连接表 面物理状态的不良影响。除此以外，这一方法还能连接绝大多数的材料，其中包 括以前被认为不能连接的金属和合金，并使接头具有高度的可靠性，首先是高的 静载强度和动载强度、热稳定性、真空密封性( 在零件接头区没有氧化物和沾污的 痕迹) 等。这一焊接方法还可以实现所谓“精密焊接”，即焊后可获得焊件预计的 最终尺寸【6 】。因此研究真空条件下连接材料结合界面处发生的物理冶金反应和扩散 行为，研究真空结合界面成分、组织、结构与性能的关系，可以为特种材料真空 扩散焊最佳工艺的确定提供理论依据。 本课题为国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金资助项 目，它要求研究铍和不锈钢及铜、铝等异种金属之间真空连接的扩散行为。 1 2 扩散焊 扩散焊接是h o 卡尔科夫( 苏联) 于1 9 5 3 年提出的。它是指在一定的温度 和压力下，使待连接表面相互接触，通过微观塑性变形而扩大待连接表面的物理 接触，使结合材料在发生微小塑性变形和蠕变的同时，经一定时间的原子问相互 扩散，从而形成整体的可靠连接的一种先进连接方法。扩散焊具有许多优点【7 】：( 1 ) 可以连接用一般熔焊困难的金属或异种材料；( 2 ) 可以连接同种和异种材料，如 陶瓷与陶瓷、金属与陶瓷；在连接时，工件尺寸变化小，可维持原有形状，连接 重庆大学硕士学位论文l 绪论 区域缺陷少，基体组织变化也小，特别适用于精密部件之间的连接；( 3 ) 可对复 杂形状零件或异形件进行高精度的装配，焊接一次完成。 1 2 1 扩散焊的过程 扩散焊的过程可以大致分为三阶段【2 】：第一阶段为物理接触阶段，高温下微观 不平的表面，在外加压力的作用下，总有一些首先达到塑性变形，在持续压力的 作用下，接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触；第二阶段是接触界面 原子间的相互扩散，形成牢固的结合层； 渐向体积方向扩散发展，使缺陷( 孔洞、 第三阶段是在接触部位形成的结合层逐 氧化物夹杂等) 消失，在接触处形成共 同的晶粒，并导致内应力松弛，形成可靠的连接接头。当然，这三个过程不是截 然分开的，而是相互交叉进行，最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程形 成固态冶金结合，它可能生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物。第三阶 段通常会使强度趋于稳定，并提高接头的塑性。但是，对于某些材料( 例如能够 形成脆性金属间化合物的异种金属) ，这一阶段会起极其有害的作用。因此，如遇 到这种情况，就必须对这一阶段加以严格控制。 1 2 2 影响扩散焊接头质量的主要因素 在异种材料的扩散焊接中，接头的质量决定了扩散焊的可行性。而接头的质 量与接头元素的扩散行为有关，其扩散进行的程度和生成物的情况( 有无金属间 化合物的形成) 跟接头性能密切相关，直接影响扩散连接的质量。这些扩散行为 是在一定的工艺条件下进行的，而其过程与扩散焊的工艺等因素密切相关。 影响扩散焊的因素主要有：表面状态、中间层的选择、温度、压力、时间和 气体介质等。 试样的表面状态是一个不可忽视的因烈8 1 ，首先对表面粗糙度和光洁度有严格 要求。机械加工达到要求之后，零件准备的共同点是要最大限度地保持清洁，焊 前用酸洗或化学腐蚀有两个作用，一是清除表面上的非金属膜，最常见的是氧化 物；二是清除表面冷加工层。也可采用真空焙烧以获得清洁的表面，进行真空除 气，容易清除表面有机膜、水膜和气膜。一定的平直度和光洁度是为了保证不用 大的变形就可使界面达到所需要的接合。如扩散连接的试样表面加工精度高，则 接触表面微观平面度小，在较低的温度与压力下即可实现整个被连接面的可靠接 触与连接，反之，如果其精度低，则需要在较高的温度与压力下才能实现可靠连 接。一般情况下，扩散连接要求表面粗糙度应达到r a 0 4 - - 0 8um 以上。 温度是扩散焊最重要的工艺参数，温度的微小变化会使扩散焊速度产生较大 的变化。在一定的温度范围内，温度愈高，材料塑性愈好，扩散过程愈快，所获 得的接头强度也高。从这一点考虑，应尽可能选用较高的扩散焊温度，但加热温 度受被连接工件和夹具的高温强度、工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，如 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 引起母材组织粗化、成分偏析等，而且温度高于一定值之后再提高时，接头质量 提高不多，有时反而下降。试验表明，扩散温度通常为0 6 - 0 8 t m ( t m 为母材熔 点) 。 扩散焊压力的作用是使接头在焊接温度下产生一定的塑性变形，消除界面孔 洞，增加结合面的实际接触面积对于给定的时间温度值来说，如果压力不足以使 连接表面产生塑性变形，则随后连接时间的延长就无实际意义。但压力不能过大， 否则会产生裂纹，导致接头性能的恶化。 扩散时间是指被连接工件在扩散焊温度下保持的时间，在该连接时间内必须 保证扩散过程全部完成，以达到所需的强度。扩散时间并不是一个完全独立的参 数，应根据温度和压力合理选择。扩散过程中原子的平均迁移距离x 可表示为 x = c ( d t ) 2 ( 式中c 为取决于材质的常数，d 为扩散系数，t 为扩散时间) 。在其他 参数不变的情况下，适当延长连接时间，可使扩散进行得比较充分，有利于接头 成分和组织的均匀。但由于扩散焊的温度一般处于再结晶温度以上，过长的时间 对接头质量不起进一步提高的作用，反而会使接头区晶粒长大。对可能形成脆性 金属间化合物的接头，应控制扩散时间以求控制扩散层的厚度，使之不影响接头 性能。实际扩散焊过程中，连接时间可在一个非常宽的范围内变化。 加入中间金属薄层作夹层常常是提高扩散焊接头质量或生产效率的有效途 径。中间层的选择应考虑以下几剧2 】：( 1 ) 中间层金属能与母材金属相互固溶；( 2 ) 中间层较软，在扩散连接过程中，易于塑性变形，从而改善母材金属界面的物理 接触及相互扩散情况；( 3 ) 在异种金属连接时，由于不同材料物理性能的差异， 加入中间层可以缓和接头的内应力，有利于得到优质的接头。此时，接头的性能 与中间层在受力过程中的行为有关，并取决于中间层的相对厚度( 中间层厚度与 试件直径的比值) 。中间层的相对厚度要选择恰当，过薄则不能产生适当的塑性变 形，不能与基体或者母材形成充分的紧密接触，从而接头强度低，但过厚又会导 致接头的成分与组织的不均匀性增大，同样使接头强度不高。 当然，上述几个因素是相互依赖，相互影响的，任何一个参数的变化都会导 致其他参数发生相应的改变，合理选择工艺参数，才能获得较好的接头质量。 1 3 扩散焊技术的应用 各种材料及复杂的结构都能利用扩散焊技术实现可靠的连接，但由于这种连 接方法一般要求在真空环境下进行，要用特殊的设备，因此，限制了这种方法的 广泛应用，目前主要应用于航空、航天、原子能及仪表等部门解决一些特殊件的 连接问题，如新材料组合零件、内部夹层、中空零件、异种材料及精密器件等的 连接【9 1 0 1 。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外对耐热合金、钛合金、铝合金、陶瓷材料、铍 钢、铍铜合金、铜合金钢、铜合金铜合金、铝合金钢和铜合金铝合金的扩散连 接进行了大量的研究【1 1 - 2 1 1 。下面主要介绍对这些材料的扩散焊技术的应用。 1 3 1 钢与铍的扩散焊 本课题涉及的主要材料是铍和h r - 1 不锈钢。钢与铍或铍合金的焊接性，主要 取决于铍的性能，铍导热率仅次于a g 、c u 、a u 及砧，具有优良的高温强度，但 铍较脆，难于机械加工和压力加工，并有毒性。 钢与铍或铍合金焊接的主要困难有： 钢与铍或铍合金焊接时，铍极易氧化，而氧化铍又属难熔氧化物，塑性很差， 在熔池中影响钢与铍的结合，氧化铍的含量及厚度对铍的焊接性有影响。焊接 时需要较大的热功率，并要采取特殊的工艺措施。 钢与铍或铍合金焊接时，在铍母材金属侧熔合线附近极易产生脆性层，这主要 是由铍本身韧性低和形成难熔氧化物造成的，且有金属间化合物生成，所以采 用电阻焊不能获得满意的焊接接头。 钢与铍或铍合金焊接时，焊接接头裂纹倾向大，由于钢与铍的线膨胀系数相差 较大，热导率相差悬殊( 铍为铁的2 5 倍) ，焊接变形较大，在焊接应力作用下 容易产生裂纹。 钢与铍或铍合金熔点、电磁性相差较大，强度不易达到工艺要求。 由此可见，钢与铍的焊接性很差，只有采用真空扩散连接才能得到满意的焊 接接头。铍采用扩散焊时，可以避开熔化焊接时易出现的许多问题。一般来说， 焊前铍的焊接表面应保证一定的粗糙度和光洁度，在机械加工后用丙酮或乙醚进 行擦拭；也可用碳化硅砂纸湿磨和用稀释的已二酸浸润氧化铝抛光。而b e 3 8 a 1 合金则不需要专门的表面准备即可进行扩散焊【8 】。 现有的文献资料大多数是从优化工艺的角度，用实验的方法探索不同条件下 的，最优的工艺条件，得到最优的接头质量。但铍不锈钢扩散连接的接头的具体 情况尤其是引起裂纹的原因未见详细的报道。铍的晶体结构为密排六方，滑移系 少，在室温是一种脆性材料。用真空扩散焊焊接钢与铍或铍合金，可采用中间扩 散层，中间扩散层的材料选c u 、n i 或a g 为基的材料效果最佳，也有人用t i 、c u b e 合金，因为这些材料塑性好，跟铍有一定的互溶度，可明显降低接头的脆性，提 高焊接接头的强度。 p l a m e n t t 等研究了核聚变反应中铍、不锈钢的相容性问题，认为与辐照时间 及温度有关，但未详细分析其组织结构【2 2 1 。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 2 铜与铍的扩散焊 由于b e 极活泼，易与大多数金属形成金属间脆性化合物【2 3 1 ，与c u 也不例外， 从而影响了其连接性能。利用a g 、b e c u 、a 1 、t i 、o f c u ( 不含氧的c u ) 、c u 、 t i n i 、a 1 m o c u 、c r c u 作中间过渡层在1 - - 3 0 0 - - 9 0 0 ，p 2 肛1 4 0 m p a ，仁2 0 小时 条件下，对b e 和d s c u 进行了热等静压扩散焊【2 4 1 ，利用测试剪切强度来评价接头 界面的完整性，利用扫描电镜和电子显微探针技术来分析b e 与d s c u 连接界面的 微观缺陷和元素分布情况。结果表明，在t = 7 0 0 c 下进行热等静压，a g 将是较合 适的过渡材料；用c r c u 作中间层，可使热等静压温度降低为5 5 0 ，有利于防止 不锈钢结构材料的硬化现象。 在b e d s c u 直接连接和用b e c u 合金作中间层时【2 5 1 ，发现在b e 侧出现b e 2 c u 相，在d s c u 侧出现了c u + b e c u 相。扩散层的厚度与结合时间的平方根成正比， 连接接头的剪切强度主要决定于b e 侧的b e 2 c u 相的形成。以t i 作为中间层时， 在过渡区域内也产生了金属间化合物。 1 3 3 铜与不锈钢的扩散焊 c u 合金作为一种好的冷却管道材料，常要求与不锈钢连接，这种连接必须是 冶金结合，并具有较好的结合强度。曾经用熔化焊来连接d s c u 和3 1 6 l 不锈钢， 却发现在焊接温度下，基体发生重熔，导致了a 1 2 0 3 弥散相的聚集和焊接区域的再 结晶。 s s a t o 等人利用热等静压技术来连接c u 合金与不锈钢，发现其连接接头与基 体d s c u 有相同的拉伸和疲劳性能，总的延伸率和疲劳强度稍低于基体，断裂位 置在d s c u 基体一侧。用疲劳断裂韧性和裂纹生长等来考核热等静压温度对连接 基体的断裂行为的影响，发现裂纹在d s c u 侧生长。 1 3 4 其他材料的扩散焊 对大多数异种金属组件，它们的熔化温度、密度、热物理性能参数尤其是膨 胀系数都会有差别，结晶特性也不一样，采用一般焊接方法的最大困难在于异种 金属之间有限的相容性。同时，难免形成具有高硬度和高脆性的稳定金属间化合 物，而且难以满足保持原始零件精确尺寸的要求。因此扩散焊接在这些异种金属 连接中得到广泛应用。 铝( 铝合金) 与钢焊接的困难在于它们的物理化学性能相差较大，a 1 与f e 形成一系列金属间化合物。采用加中间层扩散焊接的办法焊接铝( 铝合金) 与钢， 可以得到牢固的接头。如铝( l f 2 1 ) 与1 5 号钢用n i 作中间层，q 2 3 5 钢与铝( l 1 ) 焊接时选用铜、镍作中间层，1 c r l 8 n i l 0 t i 与铝( l 4 ) 焊接时选用银做中间层时， 采用扩散焊时都实现了良好连接。 中间层改善了金属间化合物的分布，保证了良好的接头质量和稳定性。采用 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 中间层，防止了形成脆性很高及硬度很大的金属间化合物。 铜与钢实现两者焊接的困难在于二者不同的导热系数和不同的线膨胀系数 等等。扩散焊是焊接铜、铜合金与钢的最有效的焊接方法，扩散焊接铜、铜合金 与钢可以获得高质量的接头。由于镍、铜能无限互溶，所以镍是铜钢扩散连接最 理想的中间层材料。如在进行1 0 钢与q a l 5 钢焊接时，用镍作中间层，在7 0 0 几兆帕压力，扩散焊5 2 0 分钟，就能获得良好的接头。 钛合金与钢周荣林【2 6 】等主要探讨了钛合金与不锈钢连接时的温度、时间及 压力对其扩散连接的影响。认为温度过低时间过短，会使界面连接不均匀，有部 分未焊合和空洞存在。温度过高，时间过长，会引起过大的变形，接头的脆性增 加。焊接压力对接头有很重要的影响。在8 5 0 、3 0 m i n 、1 0 m p a 的最佳工艺下， 接头变形率不超过1 时的接头剪切强度最高达7 4 m p a 。 合金与陶瓷及陶瓷与陶瓷【2 7 】钎焊和扩散焊接是合金与陶瓷和陶瓷与陶瓷的 连接中最常用的方法。在陶瓷与陶瓷的扩散连接中，用适当的合金做中间层，可 以提高接头质量。如在进行s i c 陶瓷连接时，用f e - 5 0 t i 合金作中间层，在1 6 2 3 k 时进行扩散连接，其高温( 9 7 3 k ) 剪切强度可达1 3 3 m p 。 硬质合金【2 8 1 为减少贵重金属的消耗量，工业生产中常需要将硬质合金与钢 进行连接。采用钎焊时，由于钢与硬质合金膨胀系数相差较大易产生热裂纹，液 相沿晶界渗透到裂纹源和其它缺陷，并使钎料元素与基体元素形成脆性相，导致 钎焊焊接接头质量可靠性差。扩散焊可以防止或全部排除上述焊接带来的缺点。 在扩散焊接过程中，采用合理的焊接热循环，或加入熔化的中间层，可将硬质合 金扩散焊的热应力降低到没有危险的水平。由于扩散活性较弱，采用0 6 0 8 t m 温 度实际是不可焊的，通常进一步提高温度使硬质合金产生塑性变形，或加中间过 渡层以降低焊接温度、减小焊接压力和缩短保持时间，并活化相互扩散。中间过 渡层可为粉末状、喷涂膜或薄状，对复杂形状通常采用真空蒸发膜。 在t = 10 5 0 0 c ，p = 10 0 m p a ，t = 2 h 的热等静压条件下，y g l5 c 与a 3 、4 5 撑及t 10 钢的结合皆达到了冶金的结合。若采用镍箔做中间层，则可显著改善接头的强度 【2 8 】 o 最初热等静压技术用在金属的热处理、扩散焊等，后来又用于开发复合材料 如金属和陶瓷材料的成形、复合材料的制取，在m n z n 及n i z n 铁氧体的致密化 以及等离子喷涂层的处理等方面均起到了很大作用。热等静压扩散焊作为一种新 型的连接技术，在同种材料和异种材料的连接方面正在发挥潜在的优势。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 扩散基本理论【2 9 】 扩散理论研究形成了两种基本方法。一种是宏观理论，既不考虑扩散系统的 结构，又不考虑原子( 分子) 的迁移方式，把扩散系统看成连续的介质，通过建 立和求解微分方程，研究扩散过程中扩散物质的浓度随时间和空间的变化及扩散 物质的迁移规律，这种方法比较适用于对扩散过程的数值分析及计算机模拟；另 一种是微观理论，从原子在晶格中的跃迁出发，说明扩散系数的实质，用统计物 理学的方法建立扩散原子的微观行为和宏观参量的关系。 金属中的扩散是原子依靠热运动从一个位置到另一个位置的迁移过程。固体 金属中原子有四种不同的扩散途径：体扩散，表面扩散，晶间扩散，位错扩散。 后三种扩散都比第一种扩散快，又称为短路扩散。在实际过程中，这四种扩散是 同时进行的，有相似的规律，但体扩散是最基本的扩散过程。 1 4 1 扩散方程及其解 菲克用类似研究热传导的方法，在实验基础上提出了各向异性介质中扩散过 程的定量关系( 菲克第一定律) ，扩散过程中扩散物质的浓度与时间及空间位置的 关系由f i e k 第二定律( 扩散第二方程) 给出。因此，求解扩散问题，最终归结为 给定的初始和边界条件下求解第二定律给出的偏微分方程。 由f i e k 第二定律，扩散物质的分布用直角坐标表示如下： 百a c = 夏a 【匕瓦a c ) + 品( 够瓦a c ) + 丢( 色箸) 一维条件下的扩散方程为： 百a c = 昙( 巩箸) 1 4 2 扩散机理【2 乳3 4 1 通常固态晶体中的原子总占据一定的平衡位置，并围绕平衡位置不停地做热 振动。在某些条件下( 如能量涨落) ，这种热振动偶尔可以达到相当的强度，以至 使原子从一个平衡位置跃迁至另一个平衡位置，这正是晶体中原子扩散的基础。 固态晶体中原子的扩散机制一般和扩散原子在晶体中的位置及扩散介质的晶体结 构有关。目前已经发现和提出的扩散机制主要有空位机制、间隙机制、交换机制 和环形机制等。 金属中原子的扩散可以通过不同途径进行，在高温( 1 - 0 7 t m 熔点) 原子主 要在点阵中扩散，称为体扩散；在中、低温( o 7 t m ) 主要易在表面及晶界扩散， 称为表面扩散及晶界扩散。 以单个原子在点阵中的扩散，可以分为间隙原子扩散与置换原子扩散两大类 型。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 一) 间隙机制 间隙机制是指扩散原子通过在晶格间隙位置间的跃迁而实现的扩散，在间隙 固溶体中，由于溶质原子半径通常比溶剂原子小得多，跃迁时消耗的能量小，因 而其扩散率通常较大。它的主要模型是直径小的间隙原子由一个间隙位置跃迁入 另一个邻近的间隙位置，此时，间隙原子的扩散系数要比基体金属的原子自扩散 系数大1 0 4 1 0 5 倍。 当间隙原子直径比较大时，间隙原子通过把它邻近的在晶格结点上的原子从 正常位置推到附近的间隙中而自己则占领该原子原来的结点位置。此时，两个原 子的同时运动并未增加间隙原子的总数，因此这种方式所需要的扩散激活能要比 形成弗仑克尔缺陷低得多。这种机制称为推入间隙机制。 ( 二) 换位机制 在置换式固溶体中，由于形成间隙原子所需要的能量大，平衡状态下间隙原 子的扩散被认为是通过两个相邻原子直接交换位置而进行的，按照这种机制，两 个原子在交换位置时势必要求相邻原子让出足够的空间，其过程将使交换原子附 近产生严重的晶格畸变而消耗很大的能量。因此，一般认为这种直接交换机制在 实际中比较难以实现。 环形交换机制，即认为同一晶面上距离相等的1 1 个原子可以同时轮换位置而 构成扩散。需要晶体中若干个原子同时做有规则的运动。在固态金属和合金中这 种行为的概率显然是很小的。因此，实际上环形交换机制也比较难以实现，至今 还没有实验支持这种机制。 ( 三) 空位机制 热力学认为，在绝对零度以上晶体中总存在一定浓度的空位，在金属和合金 中，接近熔点时空位浓度大约是l o - 3 1 酽位置分数数量级。和空位相邻的原子比较 容易进入空位位置而使其原来占据的位置变为空位，如此不断就可实现原子的迁 移，这就是空位扩散机理。 该模型的基本原理是：扩散原子依靠与邻近的空位换位实现迁移，由于空位 浓度与温度、辐照等因素有关，因此提高温度或用射线辐照等提高点缺陷密度的 因素均使扩散系数增大。 目前公认空位机制是f c c 金属中扩散的主要机制，在h c p ，b e e 金属以及离子 化合物及氧化物中，它也起重要作用。 1 4 3 影响扩散的因素及扩散系数的计算【3 5 - 3 9 】 由扩散第一定律看出，单位时间内扩散通量的大小取决于扩散系数d 和浓度 梯度。浓度梯度取决于客观条件，因此在一定条件下，扩散的快慢取决于扩散系 数。扩散系数与温度，扩散激活能等有关：d = d o e x p ( e r t ) 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式中d o 扩散常数，r - 一气体常数，e 扩散激活能，t - 一绝对温度。 除温度外，凡能改变扩散常数和扩散激活能的因素均影响扩散系数。温度是 影响扩散系数的决定因素。温度越高，原子能量越大，越易迁移，扩散系数越大。 由于扩散系数随温度升高而成倍增大，所以调节温度能控制渗层深度。 金属原子在晶界上的扩散要比晶粒内部快得多。一般晶界扩散激活能为体扩 散激活能的0 6 0 7 倍。对于间隙固溶体，因溶质原子一般较小，易于扩散，晶界 与晶内扩散系数的差别不显著。原子沿表面的扩散比沿晶界的扩散速度还要快。 当金属有同素异形体时，在不同结构中的扩散系数是不同的。在对称性较低 的晶体结构中，呈现扩散的各向异性。合金元素在不同固溶体中的扩散也有差别。 间隙原子在不同固溶体中的扩散系数差别也较大。 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。置换固溶体中原子的扩散主 要通过空位和原子的迁移两部分组成。 间隙固溶体扩散激活能只有填隙原子的迁移能一项，所以，它的扩散能一般 都较小，扩散激活能对扩散系数的影响比扩散常数大得多。不同类型的固溶体能 够溶解扩散元素的量不一样，造成浓度不一样也影响扩散速度。 在二元合金中加入第三元素时，其扩散系数也会发生变化。当两种合金接触 时，其界面将有反应发生，反应速率取决于温度和合金的类型。如果反应受制于 扩散，且合金的扩散系数是已知的，用有限差分法或解方程的软件可以模拟反应 过程。然而大多三元和高元体系的扩散系数是未知的，所以由实测的示综扩散系 数和实测的或经评估的热力学数据库提取的热力学数据估算扩散系数具有重要意 义。 m a d a y a n d a 在估算扩散系数方面作了大量的研究。由示综扩散系数和热 力学数据计算扩散系数的基本方程，主要假设原子运动的漂移速度方程是有效的， 化学位梯度是作用于每一原子的唯一动力，样品的摩尔浓度是常数。本征扩散系 数中的每一组元能写成动力学和热力学因子的乘积，动力学因子是示综扩散系数， 尽管在稀溶液中两者数值是相似的。热力学因子是重要的，尤其是在扩散系数矩 阵的非对角线交叉项中占主导地位。当数据足够时，用解方程的软件可以很快地 进行所有计算。 丁学勇【4 0 】等人也提出预测三元合金中原子浓度( 原子分数，) 低于1 0 组 元的扩散系数、本征扩散系数和热力学因子的模型；通过此模型预测1 4 7 3 k 时， n i 砧c r ( 富n i ) 三元合金系的扩散系数，并和实验值进行比较，模型预测结果良 好。 9 重庆大学硕七学位论文1 绪论 1 5 本文主要研究内容 铍与h r 一1 不锈钢的连接在核工业、核航空航天工业具有广泛的应用前景和 工程意义。国产h r 一1 不锈钢是一种特殊用途不锈钢，它与铍的连接存在非常大 的困难，国内只有中国工程物理研究院在这方面开展过少量研究，发现很难避免 焊接裂纹。熔化焊、钎焊、扩散焊及胶接等是可以用于实现铍和h r 一1 不锈钢连 接的方法，但胶接存在强度低、易老化和不耐高温等缺点，在应用上受到了很大 限制，熔化焊由于热影响区对热特别敏感会产生焊接裂纹。 本文在充分分析国内外铍与不锈钢扩散焊接【2 3 御】和铍h r 一1 不锈钢扩散连接 研究【4 8 】的基础上，主要研究铍中间层h r l 不锈钢扩散连接：研究适合铍h r 一 1 不锈钢连接的中间层材料；研究扩散焊区的成分、组织、结构与连接质量的关系。 铜、铝、银一铜合金等与铍的相容性好，因此被选为中间层材料。采用热静压方 法，选择不同的压力进行扩散连接，研究压力对扩散的影响。脆性中间相的生成 导致焊接应力和裂纹，是铍与不锈钢焊接存在的很大难题，本文也将研究产生脆 性中间相的原因。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 铍中间层h r 1 不锈钢扩散连接的研究 2 铍中间层h r - 1 不锈钢扩散连接的研究 本章在铍h r - 1 不锈钢扩散连接实验【4 8 】的基础上，主要以铜、铝和银铜合金为 中间层材料，对铍h r 1 不锈钢扩散连接的行为进行了较系统的研究。 在被焊接的两种金属之间加入金属薄层，常常能提高焊接质量，中间层的作 用为：降低热压温度和热压压力，减少扩散时间，提高扩散能力以及减少脆性金 属间化合物的生成。但另一方面，如果中间层材料选择不当，反而会降低接头强 度和其它性能。 2 1 试验材料 铍材为国产热等静压棒料，其成分如表2 1 。h r 1 不锈钢( 0 0 c r l 7 n 订4 m 0 2 ) 为奥氏体抗氢不锈钢，其中合金元素含量为1 7 2 c r 、1 4 2 7 n i 、2 1 9 m o 、和 1 0 5 m n ，杂质含量小于0 1 7 。两种材料均加工成巾1 0 5 m