（材料学专业论文）脉冲大电流加热扩散机理与技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 两要 本论文中采用脉冲大电流加热扩散焊接技术焊接了砧一l i 合金1 4 2 0 以及 t i 6 a 1 4 v 同t i b 2 - n i 系列金属一陶瓷复合材料两个体系。并对脉冲大电流热加工 方式下的原子扩散机理进行了研究。 采用脉冲大电流加热扩散焊接技术在8 2 3 k ，6 0 k m i n 升温速率条件下获得了 最大拉伸强度为2 7 6 m p a 的a 1 l i 合金1 4 2 0 接头。通过对该体系的研究发现， 脉冲大电流加热扩散焊接条件下，焊接时间和焊接温度的延长以及升高并不能 导致接头拉伸强度的提高；而焊接电流为整个焊接过程中最重要的控制因素。 在本研究中，观测到的仙l i 9 相的 4 0 0 在焊接界面处的生长认为界面处发生的 由a 1 l i 相向u 山i 9 相的相转变反应。通过分析，该相变反应的发生主要归因于 电流对于相变反应的促进作用，从而促进了该相变反应的发生。在本论文中还 研究了该相变反应发生的驱动力以及电流促进下的相生长机理，并且合理的解 释了电流对于脉冲大电流加热扩散焊接的影响机理。 采用脉冲大电流加热扩散焊接技术焊接了t i 6 a 1 4 v 同t i b 2 - n i 金属一陶瓷复 合材料。焊接t i 6 a 1 4 v 同t i b 2 - n i ( 8 0 ，w t ) 金属陶瓷复合材料时，在1 2 7 3 k ， 1 0 0 k m i n 升温速率条件下获得了最大接头拉伸强度，其接头拉伸强度值为 1 2 8 m p a 。通过研究也发现在本体系中，电流对于焊接界面处连接点的产生起着 决定性的作用。在焊接过程中电流同时也促进了材料中的残余应力的增加。 在本论文中采用a n s y s 软件对焊接过程的温度场进行了模拟，通过模拟 结果，结合其它研究结果同普通辐射加热扩散焊接的结果进行了对比发现同普 通辐射加热扩散焊接相比，脉冲大电流热加工扩散焊接技术进行焊接时有如下 优点： 1 对基体的热损伤较小； 2 焊接耗时极短； 3 焊接变形量极小： 当然采用该法焊接也有一个缺点一一在脉冲大电流热加工扩散焊接条件下 尤其是对于那些金属一陶瓷复合材料来说，该法容易在材料内部造成较大的残 余应力从而影响接头性能的提高。 经过本论文的研究也发现电流方向对于材料界面处的原子扩散有一定的影 响。本论文大致分析了该现象的产生原因。 武汉理工大学博士学位论文 关键词： 脉冲大电流热加工技术；扩散焊接；电致相变：原子扩散；a l l i 合金1 4 2 0 ；t i 6 4 v ；t i b 2 - n i u 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t p u l s e dc u r r e n th e a t i n gd i f f u s i o nw e l d i n gw a su s e dt ow e l dt w os y s t e m s ：1 t h e - l ia l l o y s14 2 0 ；2 t i 6 a 1 4 va n dt i b 2 - n ic o m p o s i t e s t h em a x i m u mt e n s i l es t r e n g t ho ft h ea 1 一l ia l l o y s1 4 2 0j o i n t so b t a i n e db y p u l s e dc u r r e n th e a t i n gd i f f u s i o nw e l d i n ga t8 2 3 kw i t hah e a t i n gr a t eo f6 0 k m i nw a s 2 7 6 m p a i nt h i sd i s s e r t a t i o n i tw a sp r o v e dt h a tt h eh e a t i n gt i m ea n dh e a t i n g t e m p e r a t u r e ss h o w e dl e s sr e l a t i v e l yw i t ht e n s i l es t r e n g t h so f j o i n t s f u r t h e r m o r e ，t h e w e l d i n gc u r r e n tw a sa p p r o v e dt op l a yt h em o s ti m p o r t a n tr o l eo f t h ew h o l ed i f f u s i o n w e l d i n gp r o g r e s sf o rp u l s e dc u r r e n th e a t i n gd i f f u s i o nw e l d i n g aa h l i 9 4 0 0 ) l a t t i c e w a so b s e r v e dt og r o wa tt h ei n t e r f a c eo fs a m p l ew e l d e da t7 9 3 kw i t hah e a t i n gr a t e o f2 0 0 k m i n , a n dt h i sp h e n o m e n aw a si d e n t i f i e dt ob eac u r r e n ti n d u c e dp h a s e t r a n s f c i r m a t i o nf o r ma l l it oa h l i 9a tt h ei n t e r f a c e t h i sr e s u l te x p l a i n e dh o wt h e c u r r e n ti n f l u e n c e dt h ew e l d i n gp r o c e s s h o wa n dw h yt h ec u r r e n ti n d u c e dt h ep h a s e t r a n s f o r m a t i o nr e a c t i o nw a sc o n c e r n e di nt h i sr e s e a r c h p u l s e dc u r r e n th e a t i n gw a su s e dt ow e l d t h et i 6 a 1 4 vw i t ht i b 2 二n i m e t a l c e r a m i cc o m p o s i t e s t h em a x i m u mt e n s i l es t r e n g t ho ft i 6 a 1 4 v t i b 2 - n i ( 8 0 ，w t ) m e t a l c e r a m i cc o m p o s i t e sj o i n t sw a so b t a i n e da t12 7 3 k w i t hah e a t i n g r a t eo flo o k m i n , a n dt h et e n s i l es t r e n g t hw a s12 8 m p a t h ec u r r e n tw a sp r o v e dt o c o n t r o lt h eg r o w t ho fw e l d i n gp o i n t sa tt h ei n t e r f a c e t h e r e f o r e ，i t sb e l i e v e dt h a tt h e c o n t r o l l i n go fc u r r e n tw a st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rw e l d i n gt i 6 a 1 4 vw i t h t i b 2 - n im e t a l c e r a m i cc o m p o s i t e s a n s y sw a su s e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf i e l df o rt h et w o w e l d i n gp r o c e s s e s c o m p a r e dw i t ht h ed i f f u s i o nw e l d i n gp r o c e s sb yt r a d i t i o n a l r a d i a t i o nh e a t i n gd i f f u s i o nw e l d i n g ，t h em e r i t so fp u l s e dc u r r e n th e a t i n gd i f f u s i o n w e l d i n gw e r e 够f o l l o w ： 1 l e s sh o td a m a g eo fb a s em a t e r i a l s ； 2 l e s sw e l d i n gt i m e ； 3 l e s sd e f o r m a t i o no ft h es a m p l e ； t h em o s tp r o m i n e n ts h o r t a g eo ft h i sm e t h o dw a st h a tam o r es e r i o u sr e m a i n i ! i 武汉理工大学博士学位论文 s t r e s so c c u r r e di nt h es a m p l ee s p e c i a l l yf o rt h o s em e t a l c e r a m i cc o m p o s i t e s d i r e c t i o n a lc u r r e n tw a sa p p r o v e dt oi n f l u e n c et h ea t o md i f f u s i o na tt h e t i b 2 - n 佣6 a 1 4 vi n t e r f a c e ，a n ds o m er e a s o n st h a th o wa n dw h yt h ed i r e c t i o n a l c u r r e n ti n f l u e n c e da t o md i f f u s i o na tt h e i n t e r f a c e sw e r ec o n c e r n e di nt h i s d i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：p u l s e dc u r r e n th e a t i n g ；d i f f u s i o nw e l d i n g ；c u r r e n ti n d u c e dp h a s e t r a n s f o r m a t i o n ；a t o md i f f u s i o n ；a 1 l ia l l o y s14 2 0 ；n 6 a 1 4 v t i b 2 - n i 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： 关于论文使用授权的说明 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、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 脉冲大电流热n - r 技术综述 脉冲大电流热加工技术( p u l s e dc u r r e n th e a t i n g ) 也被称之为放电等离子烧 结( s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ，s p s ) 或者等离子活化烧结( p l a s m aa c t i v a t e d s i n t e r i n g ，p a s ) 或者场助烧结( f i e l da s s i s t e ds i n t e r i n gt e c h n o l o g y ，f a s t ) 等，是近二十年发展起来的一种材料烧结新技术。其历史可追溯n - 十世纪3 0 年代，当时“脉冲电流烧结技术”引入美国。后来日本研究了类似的但更为先进 的技术电火花烧结，并于6 0 年代末获得专利【】。但由于缺少有关的应用技 术，也没有解决与工业生产、设备造价及烧结效率有关的技术问题，所以一直 没有得到广泛应用。1 9 8 8 年，日本井上研究所研制出第一台s p s 装置。该装置 具有5 吨的最大烧结压力，在材料研究领域获得应用。s p s 技术于9 0 年代发展 成熟，最近推出的s p s 装置能够产生1 0 1 0 0 吨的最大烧结压力，可用于工业生 产。由于解决了相关的技术问题，能够实现快速、低温、高效烧结，s p s 制备 技术已引起国际上材料科学与工程界的极大兴趣。该方法对于难烧结的材料在 工艺和经济方面都具有显著的优势，如烧结过程时间短、步骤少、减少了烧结 助剂的使用、净成型性【2 ，引。 采用传统的烧结技术，如无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等，烧结样 品被设置于一个加热的空间，通过热传导和热辐射实现对样品的加热。因间接 加热，加热及冷却速度都受到很大制约；难以实现高速升温、快速冷却，晶粒 生长难以得到控制。与传统烧结方法相比，s p s 具有以下主要特点： ( 1 ) 升降温与烧结速度快，烧结体系处于远离平衡状态，容易实现对材料 的相组成、结构和组织的调控： ( 2 ) 存在脉冲电流诱发的特殊外场作用，促使扩散、迁移和传质等，对材 料微观结构与组织形成产生影响； 武汉理工大学博士学位论文 ( 3 ) 利用模具的梯度设计可以实现温差烧结，保证物性差异大的功能梯度 材料体系同时致密化。 传统的热压烧结主要是由发热体通电产生的焦耳热( 1 2 r ) 对待烧结样品辐 射加热和通过样品直接机械加压造成的塑性流动或者是直接熔化，从而达到实 现致密化的目的。对于传统热压烧结，烧结温度和压力是影响烧结过程的最直 接的也是最重要的两个因素。而脉冲大电流加热烧结过程除了上述的温度和压 力的作用外，电流对于致密化过程的影响也是非常重要的。对于非导电的烧结， 由于电流大都直接通过了石墨模具，因而，电流对于烧结的活化作用并不明显， 一般认为非导电材料在脉冲大电流烧结中表现出来的快速烧结作用是由于石墨 模具中的温度场不均匀而导致的温度控制下的快速烧结。而对于导电材料，由 于在烧结过程中电流是直接通过待烧结材料，因而电流对于烧结的直接作用就 不能忽视。一般认为当电流直接通过待烧结材料时，由于脉冲电流会在材料中 产生其特殊的电场和磁场，在一些早期的报道中，甚至有人观察到了粉体颗粒 间的放电作用。在压实颗粒样品上施加脉冲电压产生了在通常热压烧结中没有 的各种有利于烧结的现象【4 】。但是又有另一些说法认为，脉冲大电流烧结过程 在中，电场的作用实际上非常小，磁场的作用则更是可以忽略不计，起主要作 用的仍然是脉冲电流，以及电流的焦耳效应1 5 】。 目前，对于脉冲大电流的烧结机理虽然说法各异，但是在脉冲大电流条件 下原子扩散速度较快这一点是得到了广泛认同的。正是基于脉冲大电流加热条 件下原子扩散速度较快这一已经被广泛认同的事实 6 1 ，为了增加脉冲大电流热 加工技术的应用范围，本论文中我们将脉冲大电流热加工技术应用于焊接领域， 尤其是扩散焊接领域。图1 一l 为在本研究中所使用的脉冲大电流热加工装置示 意图，其最大电流为5 0 0 0 a ，属于方波直流电，脉冲比( 电流通、断时间比) 可选择为6 ：1 ，1 2 ：2 ，2 4 ：4 ，4 8 ：8 ，脉冲直流电波形示意图见图l 一2 ；加压 方式为固定上压头，下压头加压，最大压力为3 0 k n 。 2 武汉理工大学博士学位论文 图1 - 1 脉冲人电流热加工装置示意圈 f i g i - 1s c h e m a t i c m a po f p u l s e d c u r r e n t h e a t i n g a p p e r a t o s 02 0 4 06 08 01 0 0 图1 五脉冲比为6 ：l 噜落舞姿电流热加工装置电流波形图 f i g 1 - 2 p u l s e d c u r r e n t c u n , e s f o r o a o f f r a t e o f 6 ：lp r o c e s s e s i n p 山s e d 曲e 址h 曲h l 罂 a p p a r a t u s l 一 l川i一 川川一 im川川一 川一 一 川川州一 一 一jiu 武汉理工大学博士学位论文 1 2 各种常规焊接方法的优缺点比较 焊接作为材料应用过程中极为重要的一种材料连接方法，目前已经被广泛 应用于国民生产的各个领域。焊接方法主要分为三大类：固相焊接法，液相焊 接法，以及一些介于两者之间的焊接方法。固相焊接法主要有扩散焊接；液相 焊接方法主要有激光焊，弧焊等；其它介于固相和液相焊接方法之间的焊接方 法还有瞬间液相扩散焊接( t l p ) ，搅拌摩擦焊，钎焊等焊接方法。 1 2 1 扩散焊接 扩散焊接焊接方法是使两个被焊接零件的配合表面在高温和高压条件下引 起聚结的固态连接放大。这种方法不易引起零件的宏观变形、熔化或者零件的 相对移动。在两个配合表面之间可用和不用扩散辅助材料( 中间层) 。扩散焊接 具有如下主要特点： 1 、可直接连接同种金属或者非金属，并形成固态连接接头。连接同种金属 时，可获得与基体金属相同或接近的接头强度。特别适合通常用熔焊易产生裂 纹的材料( 如n i 基高温合金和硬铝材料) 的连接。 2 、可有效的连接异种材料，例如c u 与舢、舢与不锈钢、陶瓷与合金、 石墨与耐热钢、b a 1 复合材料与钛合金等。特别适合于零件厚度相差大的异种 铸铁件、锻件、粉末冶金件之间的连接。 3 、可用于需大面积结合的零部件、层叠构建、中空型构件、封闭型内部结 合件以及其它焊接方法可达性差的零部件的制造。 4 、扩散焊接为整体加热，构件变形较小，但是在部分方向上变形较为严重。 近年来，随着钛合金、铝合金、n i 基超合金、不锈钢、金属间化合物、金 属基复合材料和陶瓷等材料的超塑性扩散连接( s p f d b ) 组合工艺的发展以及 推广应用，大大拓宽了扩散焊接的应用范畴。目前扩散焊接已经成了钛合金、 铝合金、n i 基超合金等塑性材料获得低变形量构件的连接方法，在减轻航空、 航天构件质量和降低制造成本等方面显示了巨大的潜力【6 7 , 8 , 9 1 。 4 武汉理工大学博士学位论文 1 2 2 激光焊接 激光束焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。2 0 世纪7 0 年代主 要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件 表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰 值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。与其它焊接技术相 比，激光束焊接的主要优点是： 1 、速度快、深度大、变形小。 2 、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过 电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能 通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3 、焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4 、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5 ：1 ， 最高可达1 0 ：1 。 5 、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位， 可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6 、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。 尤其是近几年来，在y a g 激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接 技术获得了更为广泛的推广和应用。 7 、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位 加工，为更精密的焊接提供了条件。 近年来，随着新型激光器的研发，激光焊接看来似乎已经发展成为了特别 适合某些应用的连接方法，在这些应用中，与其它焊接方法如超声波焊接、振 动焊，热平板焊接相比，激光焊接具有成本和性能方面的优势。现在，已经有 大量的激光焊设备应用于航空、航天的各个领域1 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 。 1 2 3 弧焊技术 弧焊技术是一项早已广泛应用的熔焊方法，具有设备造价便宜，适用范围 广等特点。氩弧焊气体保护电弧焊简称气体保护焊或气电焊，它是利用电弧作 5 武汉理工大学博士学位论文 为热源，气体作为保护介质的熔化焊。在焊接过程中，保护气体在电弧周围造 成气体保护层，将电弧、熔池与空气隔开，防止有害气体的影响，并保证电弧 稳定燃烧。气体保护焊，可以按电极的状态、操作方式、保护气体种类、电特 性、极性、适用范围等不同加以分类。 根据具体情况的不同，气体保护焊可采用不同的气体，常用的保护气体有 二氧化碳、氩气、氦气、氢气及混合气体。气体保护焊的优点是：电弧线性好， 对中容易，易实现全位置焊接和自动焊接；电弧热量集中，熔池小，焊接速度 快，热影响区较窄，焊件变形小，抗裂能力强，焊缝质量好。缺点是不宜在有 风的场地施焊，电弧光辐射较强【1 5 , 1 6 , 1 7 】。 1 2 4 钎焊 用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接 口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法。钎焊变形小，接头光滑美观，适合 于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如蜂窝结构板、透平叶片、硬质 合金刀具和印刷电路板等。钎焊前对工件必须进行细致加工和严格清洗，除去 油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。间隙一般要求在0 0 1 - - 0 1 毫米之 间。根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于4 5 0 称 为软钎焊，高于4 5 0 称为硬钎焊。 钎焊常用的工艺方法较多，主要是按使用的设备和工作原理区分的。如按 热源区分则有红外、电子束、激光、等离子、辉光放电钎焊等；按工作过程分 有接触反应钎焊和扩散钎焊等。接触反应钎焊是利用钎料与母材反应生成液相 填充接头间隙。扩散钎焊是增加保温扩散时间，使焊缝与母材充分均匀化，从 而获得与母材性能相同的接头。烙铁钎焊用于细小简单或很薄零件的软钎焊。 波峰钎焊用于大批量印刷电路板和电子元件的组装焊接。施焊时2 5 0 左右的 熔融焊锡在泵的压力下通过窄缝形成波峰，工件经过波峰实现焊接。这种方法 生产率高，可在流水线上实现自动化生产。火焰钎焊是用可燃气体与氧气或压 缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接；火焰钎焊设备简单、操作方便，根 据工件形状可用多火焰同时加热焊接。这种方法适用于自行车架、铝水壶嘴等 6 武汉理工大学博士学位论文 中、小件的焊接。浸沾钎焊是将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或 只有熔盐的盐浴槽中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确， 适合于大批量生产和大型构件的焊接。感应钎焊是利用高频、中频或工频感应 电流作为热源的焊接方法。高频加热适合于焊接薄壁管件，采用同轴电缆和分 合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别适用于某些大型构件，如火箭 上需要拆卸的管道接头的焊接。炉中钎焊是将装配好钎料的工件放在炉中进行 加热焊接，常需要加钎剂，也可用还原性气体或惰性气体保护，加热比较均匀。 大批量生产时可采用连续式炉。真空钎焊是工件加热在真空室内进行，主要用 于要求质量高的产品和易氧化材料的焊接。 总的来说，钎焊是一种便宜方便的焊接方式，但是接头的性能控制比较困 难，也比较难于获得无缝焊接接头1 9 , 1 9 , 2 0 1 。 1 2 5 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是针对焊接性差的铝合金开 发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所( t h ew e l d i n gi n s t i t u t e ) 于1 9 9 1 年开发的专利技术。与传统的焊接方法相比，具有优质、高效、低耗、焊接变 形小、无污染等特点，特别是在薄板焊接中其他焊接方法是远不可相比的。具 体表现为( 1 ) 生产成本低：不需要填充焊丝、焊剂和保护气体；事先不必进行 氧化膜处理；不需要事先的打底焊；( 2 ) 接头性能好：可以得到等强度接头； 塑性降低很少甚至不降低；没有气孔、裂纹；( 3 ) 安全性好：焊接过程整洁， 不会产生诸如飞溅、辐射等有害物质。目前国内关于f s w 的研究处于起始阶段， 还没有真正深入的研究与大规模应用。t 、n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n d s p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 、b o e i n g 、e s a b 等大型研究机构和企业都在进行与该工 艺相关的研究工作。f s w 已成功应用于实际生产。1 9 9 8 年美国波音公司的空 间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件，成功用于低 温下工作的铝合金。薄壁压力容器，完成了纵向和环向焊缝的连接；麦道公司 也把这种技术用于制造d e l t a 运载火箭的推进剂贮箱【2 1 ，2 2 2 3 2 4 1 。 7 武汉理工大学博士学位论文 1 2 6 脉冲大电流热加工扩散焊接 自从日本住友石炭有限公司报道了采用放电等离子烧结技术成功烧结了氧 化锆不锈钢功能梯度材料以来，该加工技术的应用越来越广泛，对采用此 方法烧结粉末方面的研究报道比较多。除了用于烧结，由于脉冲大电流热加工 技术本身所具有的特征，在材料的焊接领域应该也是一种比较有前景的焊接方 法之一。鉴于脉冲大电流热加工技术的加热方式，我们认为该技术在焊接方面 应用时称为脉冲大电流加热焊接( p u l s ec u r r e n th e a t i n gj o i n i n g ) 更合理。将该工 艺用于焊接来制备焊接件的报道很少见，所查阅到的资料表明只有最初提出放 电等离子烧结技术的国家日本报道了采用该方法来焊接材料【2 5 】。主要有金 属与金属和金属与陶瓷的焊接。 s s u g i y a m a ，y s u g a w a r a ，m k i m u r a ，e ta 1 等人采用脉冲大电流热焊接方 法研究了钨铬钴合金的固化及与不锈钢的焊接。升温速率为5 0 k m i n ，温度为 1 3 4 0 k ，保温1 0 m i n ，加压5 0 m p a 。实验结果表明，所得钨铬钴合金的致密度 达9 9 5 ，因c 颗粒的均匀分布，使合金有很好的机械性能：由于焊接时间短、 温度低，接头处扩散区很窄。采用该工艺可以将钨铬钴合金粉的烧结及钨铬钻 合金与不锈钢的焊接同时进行【2 6 】。 大阪市立工业研究所的水内洁等人采用通电加压焊接方法即s p s 方法制备 了金属金属间化合物叠层材料。原料是原子百分含量为9 9 5 的t i 箔和9 9 9 8 的舢箔，t i 箔和舢箔以一定厚度相互叠层，采取1 0 0 k r a i n 的速度升温，制 备温度为l1 7 3 k ，保温时间1 0 m i n ，压力2 7 k p 卜3 2 m p a 。结果得到，当t i 箔 和舢箔层的厚度分别为0 0 4 m m 和0 0 1 2 m m 时在这种工艺制度下可以得到拉伸 强度达6 7 7 m p a 的钛钛铝金属间化合物叠层材料匹丌。 古烟肇和大桥修进行了s u s 3 0 4 与不锈钢的脉冲大电流热焊接研究。探讨 了焊接工艺制度、待焊接件的表面状态和焊接件断面的显微结构、力学性能及 电阻的关系【2 引。他们还对不锈钢进行了通电焊接，研究了焊接工艺制度，分析 了接合件的变形度、拉伸性能、断裂面s e m 形貌观察等1 2 9 】。 日本还有学者对舢合金、铜箔叠层材料、耐热合金等金属进行了脉冲大电 8 武汉理工大学博士学位论文 流热焊接【3 0 】实验。 y a s u h i r of i 小缇，y a s u h i s ao k u m o t o ，a k i h i k oi k u t a 等进行了中间镀 a g ，t i 薄膜时a 1 2 0 3 陶瓷和s u s 3 0 4 脉冲大电流加压烧结方法焊接的研究。当 舢2 0 3 陶瓷和s u s 3 0 4 体系以a g c u - t i 薄膜做钎料进行焊接时，因为残余应力 的存在使得在a 1 2 0 3 陶瓷侧有裂纹，且裂纹不断扩展。若先在a 1 2 0 3 陶瓷界面上 镀一层a g ，c u 薄膜后再与s u s 3 0 4 用脉冲大电流加热方法进行焊接时，在址0 3 陶瓷侧的残余应力减小，即软金属a g ，c u 薄膜能有效释放a 1 2 0 3 侧的残余应 力；且趟2 0 3 陶瓷侧的裂纹不再出现裂纹，四点弯曲强度试验得出在合适的焊 接温度下接头强度达l1 9 1 2 2 m p a 3 1 】。 本课题组也在最早于2 0 0 1 年即开始开展脉冲大电流加热扩散焊接方面的 工作，并且成功的焊接了高强t i 6 a 1 4 v 合金以及c u f e 系列。 1 3 小结 扩散焊接技术是一项利用界面处的原子扩散来实现焊接过程，其主要的优 点在于能够实现真正的无缝焊接。但是作为一种焊接方法，扩散焊接由于全靠 原子扩散来实现焊接过程，由于原子扩散速度在普通加热条件下，速度非常缓 慢。这就使得普通辐射加热条件下的扩散焊接是一个长时过程，一般来说扩散 焊接均需要通过数小时，乃至数天持续不断的加热才能达到目的。当然，由于 焊接过程耗时过长，这就使得焊接过程的形变一直是困扰该法的推广应用的一 个难题，同时，对于某些构造比较复杂的材料来说，采用扩散焊接就显得更加 的困难。这些缺点也限制了扩散焊接的使用范围。采用脉冲大电流焊接时，由 于电流直接通过待焊接材料，整个材料中的温度呈非均态分布。这就使得脉冲 大电流加热扩散焊接时，试样内部温度分布具有一定的可控性，进而能够按照 需求对试样内的温度分布进行控制，使得整个试样中最高温区域出现在需要的 地方，例如焊接界面处。根据早期关于电激发材料制备的研究，电流对于原子 扩散具有较强的促进作用，因而在采用脉冲电流进行加热时，能够在较短的时 间内实现材料的焊接。因而，采用脉冲电流加热扩散焊接能够避免普通辐射加 9 武汉理工大学博士学位论文 热扩散焊接条件下的焊接时间过长，材料形变过大等缺点。 结合前期的一些采用脉冲大电流加热扩散焊接技术进行焊接的工作，脉冲 大电流加热扩散焊接技术被证实能够快速实现一些金属金属，金属陶瓷间的快 速扩散焊接，并且通过实验证明了对于某些材料体系，脉冲大电流热扩散焊接 条件下的原子扩散速度较快这一事实。但是这些研究对为什么脉冲大电流热扩 散焊接过程原子扩散速度会较快的原因仍然不是很清晰。为了能够说明这些存 在的问题，在本论文中即采用脉冲大电流热加工技术，通过扩散焊接的办法实 现了一种a 1 l i 合金1 4 2 0 间的焊接，以及t i 6 a 1 4 v 同t i b 2 - n i 系列金属陶瓷的 焊接。并通过上述两类体系的脉冲大电流热加工技术扩散焊接的研究，进一步 搞清楚了脉冲电流热加工技术条件下的原子扩散速度较快的原因。 1 0 武汉理工大学博士学位论文 第2 章筒“合金1 4 2 0 的脉冲大电流热加工技术扩散焊接 2 1a 1 l i 合金概述及焊接研究进展 铝锂合金的应用主要集中在航空、航天领域。铝锂合金在应用于航天器时， 因为其为低密度合金材料而使质量减轻，从而节约航天器的燃料消耗，提高了 其性能。与新型材料体系例如纤维加固复合物相比，低密度铝合金不需要因新 的制造设备而投入大量资金。由于复合材料质量轻而节约的费用远不能抵消设 备的投资费用，所以在一些应用方面，铝锂合金比复合材料更有实质的效果。 通常铝锂合金的抗疲劳裂纹扩展能力很高，这对于耐损结构很重要。在航天飞 行器结构中，每增加lk g 的有效载荷可带来0 4 4 - - - , 1 1 万美元的效益，因此在 一些新型空间结构中多采用铝锂合金结构。麦道空间系统公司用2 0 9 0 铝锂合金 板材制成直径2 4 4m 、长度3 0 5n l 的低温贮箱，用于三角翼火箭的燃料和液 氧容器，减重1 5 。通用动力空间公司在阿特拉斯和半人马运载火箭上使用2 0 9 0 铝锂合金，三个部件上铝锂合金总共用量7 0 蚝减重8 。洛克希德公司在2 0 世纪8 0 年代中期开始选用铝锂合金锻件、厚板、薄板与挤压件，已成为世界上 铝锂合金产品的最大用户，估计用量已超过4 5 0 吨。如用8 0 9 0 合金制造了大力 神运载火箭有效载荷舱，减重18 2k g 。2 x x x 系铝锂合金还将用于x 2 3 3 运载器 和大力神2 4 运载火箭的液氧贮箱和管道。1 9 9 7 年1 2 月美国“奋进号”航天飞 机外贮箱直径8 4m 、长度4 71 1 1 ，采用w e l d a l i t e 2 0 4 9 铝锂合金取代2 219 合金， 使航天飞机运载能力提高了3 4d 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 l 。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产 和应用方面一直处于领先水平，已将1 4 6 0 合金用于“能源号”运载火箭的低温贮 箱，并在1 9 9 8 年将a 1 l i ( 2 1 ) 拘合金用于航天飞机外燃料贮箱，提高荷载能力 1 6 。1 9 2 4 年德国就研制出了一种a 1 l i 合金( a 1 1 2 z n 3 c u 0 6 m n 0 1 l i ) 用作铸 件成型材，但在随后的时间里，由于有工艺更简单或性能优良的铝合金问世， 一l i 合金没有得到充分的发展。只是美国a l c o a 公司，1 9 5 7 年宣布研制成商品 化的合金x 2 0 2 0 ( a i 4 5 c u - 1 1 l i 0 5 m n - o 2 c d ，拉伸强度o b = 5 7 5 m p a ，延伸率 6 = 3 嘞，从1 9 5 8 年美国每年将其用于r a - 5c v i g i l a n t e 飞机的机翼蒙皮和水平安 定面。随着7 0 年代初断裂力学的发展，发现x 2 0 2 0 合金延伸率低、缺口敏感 武汉理工大学博士学位论文 性高的弱点容易使结构产生应力集中引起疲劳破坏，加上生产工艺上的困难， 1 9 7 4 年a l c o a 公司停止了x 2 0 2 0 的生产并撤消了该牌号。到此可以算是舢一l i 合金发展的第一阶段。7 0 年代能源危机给航空业带来的巨大经济压力，以及轻 质复合材料的兴起给传统铝工业造成的潜在威胁，为a l l i 合金的再发展创造 了契机。通过世界范围科学家和工程技术人员的努力，脆性和断裂韧性方面有 了突破。从8 0 年代中期开始，新型舢l i 合金又进入了半工业规模试产和航空 应用试验阶段3 7 , 3 8 , 3 9 , 4 0 1 。 图2 1 是l i 二元相图【4 ，从中可以看到，在6 0 3 时，“在中有最 大溶解度，达4 2 ( 州) ，而在室温溶解度很小。因此，舢l i 合金有显著的时 效强化现象。在时效时从c 过饱和固溶体中首先析出a 1 3 l i 67 相，这是一种亚 稳相，其晶格结构见图2 2 ，是一种面心立方结构，舢原子占据面上的位置， l i 原子占据晶胞顶点的位置。随时效时间的延长，将有稳定相舢l i ( 6 相) 析出。 舢l i 合金的强化是来源于67 相对位错运动的阻碍作用。图2 3 是某些种类的 l i 合金的一张透射电镜照片，其中白色的是3 l i ，平均颗粒尺寸2 0 r i m 左 右。舢l i 合金的性能还可以通过添加多种合金元素而进一步改善，如添加c u ， 可提高其强韧性。原因在于c u 的添加对析出相的组成、数量、形状和分布有 影响，但c u 的添加量一般不超过5 。 图2 1a l l i 相图 f i g 2 1p h a s ed i a g r a mo f 朋一l is y s t e m 总的说来，在过去的3 0 年里，铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高 1 2 武汉理t 大学博+ 学位论文 比剐度、高比强度的铝合金在国内外航空航天以及武器装备等军工行业及民用 领域中显示出了广阔的应用前景。a i - l i 台金由于其轻质、高强和优良低温的 增韧性能受到了材料科学家的关注。目前已经开发出2 x x x 和7 x x x 等一系列 牌号的a 1 l i 台金，广泛应用于军事、航空、航天和各种商用领域。 图2 - 3a i - l i 台金的显微结构图片 f i g2 3 m i r c o s l r u c t u r e s o f a i l ia l l o y s ol i 西a i 图2 - 2f ( a i 止i ) 的鲒构示意图 f i 9 2 - 2s e h m a t i e m a p o a i j l i a 1 _ l i 合金1 4 2 0 是前苏联航空材料研究所( b h a m ) hhq b p t t k r t q h a e p 等人 于2 0 世纪6 0 年代发明的一种中强度可焊的铝锂台金，属于a i - m g l i 系铝锂 台金的一种。正是由于其较好的可焊性，被广泛应用于飞机和宇航飞行器中。 据报道，在s u - 2 7 等型号的战斗机蒙皮大部分的航天火箭燃料箱中，a 1 “合 金1 4 2 0 的使用已经占到了整个铝台金用量的8 0 t 4 2 , 4 3 , 州。因此，a l 一“合金 1 4 2 0 的高强度焊接技术对我国的航空航天和武器装备等国防军工行业具有极其 重要的意义。 2 11 铝锂台金的焊接研究进展 2 1 11 弧焊 在航天工业中，铝合金焊接中应用较广的是t 1 g 和m 1 g 工艺，q i g 焊又有 交流氲弧焊和直流正接氮弧焊2 种工艺。保护气体采用氩气和氦气，应用氩气 较多。氨和氩相比。其昂小电离能高，在其他条件和参数相同时，电弧电压较 高。因此，氨弧焊电弧温度高，焊接热输入量大，具有更高的能量密度，与氩 弧焊相比其熔深较大，焊接缺陷特别是气孔较少。为了利用氨气电弧热高的优 武汉理工大学博士学位论文 点并避免纯氦带来的缺点，国外采用气脉冲( a r + h e ) t i g 和m i g 技术焊接铝合 金，可大大减少气孔缺陷。近几年开始进行气脉冲t i g 焊接技术研究，初步试 验表明，采用气脉冲( a r + h e ) t i g 焊接工艺焊接s 1 4 7 铝合金在抑制气孔缺陷方 面有明显的效果，不开坡口可一次焊透7 m m 平板，且表面光泽与氩弧焊相同， 避免了直流正接氦弧焊焊缝表面发暗的现象；焊接工艺性、可操作性也与氩弧 焊无异，弧长也无特别限制。这对于对气孔较敏感的2 1 9 5 铝锂合金有极大的应 用价值。在2 0 9 1 铝锂合金的t i g 焊中，在焊态下接头强度系数只有6 4 ；然 而，经焊后人工时效处理，强度系数能达到8 9 ，只是接头塑性较低。焊后固 溶加时效处理，强度系数几乎达到9 8 ，但是由于焊缝的枝状晶结构，接头延 伸率只是略有提高。用经过净化的氩气，在拖罩保护下用氩弧焊焊接铝锂合金， 焊缝表面光滑，无裂纹与气孔，试样靠垫板一面仍保持原来的金属光泽。显微 组织金相照片显示，试样中黑色氧化物明显减少，焊缝呈细等轴晶形态。8 0 9 0 铝锂合金母材自然时效抗拉强度4 9 9 m p a ，延伸率2 ；普通工艺氩弧焊接头经 固溶时效处理抗拉强度为2 1 6 m p a ，延伸率1 ；氩气净化、带拖罩保护的氩弧 焊接头固溶时效后抗拉强度3 2 4 m p a ，延伸率2 6 3 。1 9 7 8 年，美国n a s a 宇 航局马歇尔宇航中心决定用变极性等离子弧焊技术部分取代钨极氩弧焊工艺焊 接航天飞机外贮箱。航天飞机外贮箱材料为2 2 1 9 铝合金，共焊接了64 0 0 m 焊缝， 经1 0 0 x 射线检测，未发现任何内部缺陷，焊缝质量比t i g 多层焊明显提高。 变极性等离子焊接用于铝合金焊接，单道焊接铝合金厚度可达2 5 4 m m 。其工艺 特点是：在焊接过程中熔池中心存在一穿透的小孔，在实际生产中常采用立向 上焊工艺，既有利于焊缝的正面成形，又有利于熔池中氢的逸出，减少气孔缺 陷，因此被称为“零缺陷焊接”。“八五期间，在引进国外某公司的变极性等 离子焊接系统的基础上，进行了l f 6 和l d l 0 铝合金平板( 1 0 m m x 6 m m x 3 m m ) 焊接工艺试验。国内多家单位联合开展了变极性等离子焊接技术研究，研制了 变极性等离子焊接设备样机，并进行了l f 6 和l d l 0 铝合金板材 ( 1 2 m m x 5 m m x 3 m m ) 焊接工艺试验，完成了带有纵缝和环缝的贮箱模拟件焊 接，解决了环缝焊接时起弧打孔和收弧填孔及焊缝首尾相接难题，焊接模拟件 通过了液压试验，将变极性等离子焊接技术的工程应用向前推进了一大步。随 着2 2 1 9 铝合金的应用，在未来中厚度的大型贮箱焊接生产中，变极性等离子焊 1 4 武汉理工大学博士学位论文 接技术有着广阔的应用前景。对于2 1 9 5 合金来说，其t i g 焊强度系数只有5 0 左右，需要进一步研究脚，4 7 4 8 4 9 , 5