真空扩散焊接的形成

2020-07-13

扩散焊也称扩散连接,是指在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触,通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生液相而扩大待焊表面的物理接触,然后经过较长的时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法[1]。扩散焊是异种金属、耐热合金、复合材料、陶瓷等的主要连接方法,有着广泛的应用前景。

扩散焊在导电装置和元件的加工制造、电真空器件制造、机械制造工业以及航空航天等方面都有着广泛的应用。尤其在航空航天方面,航空工业是扩散焊最重要的应用领域。据报道,[2]美国在近十年间,用扩散焊接和超塑性成形扩散焊接组合工艺制造了大量B-1轰炸机的性合金组件,包括重要的翼板、平衡器支座、舱壁、具梁等66种之多,同时还焊接了航天飞机主发动机推进器结构,它由25个扩散焊接零件组成。用这种方法制造飞行器组件可有效地减轻结构重量、节约贵重材料,从而降低生产成本。国外扩散焊技术相对成熟,而国内扩散焊接则起步不久。

因此扩散焊有着重要的研究意义,本文主要阐述扩散焊的相关原理及其优点,及介绍重要的扩散焊技术,从工艺参数等方面介绍国内外研究进展,并对今后发展做出了展望。

1.扩散焊的原理、分类及特点

1.1. 扩散焊接头的原理

要使金属在不熔化情况下形成良好的焊接接头,就必须使待焊面紧密接触达到原子引力范围内形成金属键材料表面不可能是完全平整和光洁,实际表面还存在氧化膜污物表面吸附层,都会影响接触面上金属原子形成金属键,而母材表面晶体位也不同,不同材料晶体结构也不同,这些都会影响材料的连接效果。

所以有必要对焊接接头进行加压和加热,使表面的氧化膜破裂表面发生塑性变形和高温蠕变,从而加快两材料的扩散连接。为了方便研究,通常将扩散分为以下四个阶段讨论。

第一阶段为初始物理接触阶段,表面不平整,只有部分接触点接触如图1a所示。

   第二阶段塑性变形阶段在外加压力的作用下,通过屈服和蠕变机理是使表面发生塑性变形,而且表面的接触面积逐渐增大,最终达到整个界面的可靠接触界面未达到紧密接触区域形成界面空洞如图1b所示。

第三阶段元素扩散与反应阶段,接触面的原子间相互扩散,形成紧密结合如图1c所示,由于变形引起晶格畸变、位错、空位等缺陷,使界面能量显著增加,子处于高度激活状态,有利于扩散。

第四阶段体扩散阶段,微孔逐渐消失如图1d所示,组织成分逐渐均匀化,最后达到晶粒穿过晶界界面生长,原始界面消失。

  

   

    

 

 

                 1. 扩散焊的四个阶段示意图

当然这四个阶段也不是截然分开的而是相互交叉进行,经过扩散过程形成可靠连接。

1.2.扩散焊的分类及特点

按被焊材料的组合形式来分可分为无中间层扩散焊和加中间层扩散焊,按照焊接母材不同,也可分为同种材料扩散焊和异种材料焊接

异种材料焊接在接头处会形成不同于机体的新相,新相的性能决定焊接接头的性能,因此研究元素在接头中的扩散规律并预测新相的生成极其重要Fick[4]Bottzmann[3] Matono[4]等对扩散系数D进行了大量研究。Fick 提出第一定律,D 不随浓度的变化而变化,即:

 

当扩散系数 D 随着浓度变化而变化,即扩散体系为非稳态,Bottzmann 用分离变量法:

 

在此基础上,Matano 用图解法提出了不同浓度下的扩散系数方程:

 

以上式中:J 是扩散通量;C 是元素浓度;t 是保温时间;x 是元素扩散距离;D 是扩散系数。

张蕾[5]等研究氢对TC4钛合金扩散焊加工影响的机理得出氢元素主要通过加速原子扩散、增大再结晶驱动力、促进塑性变形以及蠕变这三方面来改善TC4钛合金扩散焊加工性。

按照焊接接头是否出现液相可分为固相扩散焊和液相扩散焊。由于固相扩散焊面临着塑性变形的困难的问题,需要很高的连接温度和实施较大的压力,通常需要较长的时间,而且固相焊接设备复杂,接头形式也有一定的限制,生产效率比较低。而瞬时液相扩散焊则能够弥补其缺点。英国DavidsDuvall [6]等人首次通过相图及金属学原理解释了瞬时液相扩散焊TLP( transient liquid phase diffusion bondingTLP)。瞬时液相扩散焊是将中间层放置在待连接材料连接表面之间,在加热过程中,由于达到中间层的熔点或者是由于中间层和母材相互扩散形成共晶反应产物而导致形成一种低熔点的液相合金,从而形成一层薄的液相中间层;液体填充了待连接材料表面之间的空间,并且有时还能溶解残留在表面的杂质;随着溶质原子向母材中继续扩散,发生等温凝固;等温凝固结束后,没有残留液相存在的痕迹,形成了和母材成分基本相似的连接接头[7]。由于瞬时液相扩散焊与钎焊一样都有微量的液相作用。但是与钎焊相比,钎焊侧重于对母材的润湿,TLP技术则侧重于降溶元素向母材的扩散,优势在于对母材表面氧化膜有一定的自清理能力,可形成无中间层残留、无界面,微观组织及力学性能与母材相似的接头,可获得重熔温度高于焊接温度的焊接接接头[8]

由于真空技术的发展,真空技术与扩散焊接技术结合形成了真空扩散焊技术。真空扩散焊是在真空、高温和施加一定压力的条件下,被焊材料表面原子经过较长时间相互扩散、相互渗透,最终实现材料永久连接的方法,与熔化焊相比,真空扩散焊具有焊接过程与空气隔绝,焊接变形小甚至无变形、节省材料、耐腐蚀性和母材的相当等优点[9]

另外,由于材料超塑性的发现,人们又发明了一种利用材料的高延展性来加速界面接触过程,形成了超塑性成形扩散焊。由于超塑性材料所具备的超细晶粒,大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用,显著增加了孔洞和界面消失的过程[1]。超塑性扩散焊可以是两边母材具有超塑性,也可以是添加超塑性中间层材料实现扩散连接。

 2. 扩散焊工艺对扩散焊的影响

 2.1.加热温度  

 加热温度是扩散焊最重要的焊接参数,在一定的温度范围内,扩散速度随温度的增加而加快,接头强度也相对较高。受焊接件和夹具高温强度、母材成分、表面状态、中间层材料及相变的影响,许多金属材料和合金的加热范围一般为0.6~0.8Tmk)(Tm为母材的熔点)。

何鹏[11]等采用钛为中间层,对 Ti Al 合金与镍基高温合金( GH99) 进了扩散连接,研究了扩散连接接头的界面结构和连接温度对界面结构及连接性能的影响,并对连接界面反应层的形成机制进行探讨;结果表明GH99 /Ti/Ti Al 的界面结构为: GH99 /( Ni,Cr)ss/Ti-( Ni,Cr)ss/ TiNi / Ti2Ni /α-Ti + Ti2Ni / Ti ( Al)ss/ Ti Al + Ti3Al / Ti Al; 随着连接温度的升高,各反应层厚度增加,接头的抗剪强度先增加后减小; 在连接温度1173 K,连接时间30 min,连接压力20 MPa 时,抗剪强度最高为 260.7 MPa

 Ohsasa [12]等人建立了 Ni 合金的动力学模型,通过差分法进行扩散的计算,得到焊接温度与焊接时间对元素扩散起到的作用。

2.2.保温时间

保温时间是指焊接件在焊接温度下的保持时间。保温时间太短,扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度,在高温高压下保持时间太长,对扩散焊接头起不到进一步提高的作用,反而会使母材晶粒长大。保温时间与温度和压力是密切相关的,采用较高的温度和压力就可以缩短焊接时间。从提高生产率的角度讲,保温时间越短越好。

林红香[13]等人Zr/Cu/Zr 瞬间液相扩散连接 Ti(C,N)陶瓷基体试验,重点研究了保温时间对元素扩散及界面反应产物的影响;结果表明:在特定焊接工艺条件下,界面处元素 TiAlZrCu 发生互扩散,形成以 Ti(C,N)/Cu Zr2+Cu Zr+Zr O/Cu 为主要组织的过渡型界面,接头最高弯曲强度可达 320MPa;最优工艺参数为 950℃、3MPa下,保温时间15min~30min,此时界面组织均匀致密,可获得力学性能较高的焊接接头。

Nishimoto[14]等人采用MBF80非晶态中间层在1 250/30 min 1275 /25 min 两种工艺条件下对CMSX-2单晶镍基合金进行 TLP 连接,焊后固溶时效处理。试验发现,TLP 接头在 650℃~900℃的高温抗拉强度稍大于CMSX-2 基体,且持久强度与母材相近。

李晓红[15]等人以本国第一代镍基单晶高温合金DD3为研究对象,采用DIF为中间层合金在1250C保温4,24,36h,得出1250/4h扩散焊接头在焊接中心线处断续分布有少量块状γ相和WMoCr复合碳硼化合物相外,其它部分已获得与母材组织、成分基本一致的y+Y’双相组织,γ沉淀相尺寸约为0.5~1.2um

2.3.压力

施加压力的主要作用是使结合面微观突起的部分产生塑性变形,从而达到紧密接触促进界面区的扩散,加速再结晶的过程。较高的压力可产生较大的表层塑性变形,使表层再结晶温度降低,加速晶界迁移。高的压力有利于第四阶段的进行,有利于微孔的收缩和消除,也可减少异种金属的扩散孔洞。焊接压力也不宜过大过大会导致焊件变形,同时对设备的要求过高,从经济的角度考虑应该选择较小的压力。

对于瞬时液相扩散焊,压力参数仅仅是让焊接面能良好的接触为目的,若是添加中间层材料能有效的提高扩散速度,可以不施加压力或施加较小的压力。

Ni71Cr Si 高温钎料作为中间层金属对 GH3128 镍基高温合金进行焊接试验,通过对强度测试结果的正交分析发现,焊接温度是对接头力学性能其决定性影响的因素,各个因素的常温性能的影响顺序为:焊接温度﹥保温时间﹥焊接压力;各个因素对高温力学性能影响的顺序为:焊接温度﹥焊接压力﹥保温时间[7]。由此可见合理的控制压力参数也是至关重要的。

 

2.4.中间层材料的选择

为了降低扩散焊连接温度、保温时间和压力,提高接头性能,促进扩散的进行,扩散焊时常会在待焊材料之间插上中间层,特别是对于异种材料的连接,中间层材料则显得尤为重要。

中间层对高温合金的固态扩散焊起着重要的作用,主要体现在促进接合面变形、增加贴合面积、加速扩散、降低连接温度和时间、阻碍有害金属间化合物的形成等方面[16]。为保证焊接质量及焊接实验的顺利进行,中间过渡层的选择主要遵循以下两点:中间层材料的热膨胀系数介于母材之间;中间层金属不与基体金属产生不良的冶金反应,如生成脆性金属间化合物等有害相[8]

 北京航空材料研究院的李晓红、毛唯等人[17]对国内自行研制的第二代单晶合金 DD6 的过渡液相扩散焊工艺进行了研究,所采用中间层合金的主要成分与 DD6 母材基本一致,同时加入一定量的 B 作为降熔元素,采用1 290 ℃/12 h 规范扩散焊接头的连接界面,约一半区域为与DD6 母材类似的 γ +γˊ组织,其他区域则为γ 固溶体基体上分布着不同形态的硼化物,其 980 ℃的持久性能接近母材性能指标的90%;延长扩散焊保温时间至24 h,连接界面上的不均匀区域减少,其980℃和1 100℃的持久性能分别达母材性能指标的 90%~100%和 70%~80%。

对于镍基高温合金的焊接,由于它变形困难,采用固相扩散焊需较大的压力和较长的时间,会导致材料晶粒的粗化,严重损害材料的性能。Han W B 等人[18]等利用镍箔作中间层对 IN718 进行固相扩散焊研究,试验发现,当采用 25 um 镍箔,焊接温度为 1 2731 323 K,压力 2030 MPa,保温时间在 4560 min 时可以获得良好的焊接界面,室温下断裂位置发生在母材侧。

    周媛[19]等采用磁控溅射技术在TA15钛合金表面沉积Ti薄膜,在DD6单晶高温合金表面沉积Ni薄膜,以Ti,Ni薄膜作为中间层进行低温扩散焊研究。通过X射线衍射分析发现Ti,Ni薄膜均为多晶体结构;采用AFM分析发现,沉积薄后,TA15钛合金和DD6单晶基片的表面粗糙度均有所降低。以Ti,Ni薄膜作为中间层在800/20MPa/2h规范下实现了TA15钛合金和DD6单晶高温合金的异种材料低温扩散连接。通过扫描电镜和能谱分析表明:TiNi两元素均扩散至另一母材界面,整个接头呈现分层组织,主要为Ti2NiTiNi相。

 Gale等人提出了“宽间隙”TLP扩散焊的概念,用于TiAl金属间化合物材料(铸造Ti-48at%Al-2at%Cr-2at%Nb合金)NiAl-Hf与镍基高温合金MM247的连接;这种“宽间隙”TLP连接采用一种复合中间层,它由一个液相形成组元加一个名义上的非熔组元组成[20]

Duvall 等人采用 NiCo 为中间层连接Ni 基耐热合金,形成了无界面的连接接头,接头有效性达 100%;Nieman Garrett 等人利用共晶连接的方法,用 Cu 作中间层低温低压连接AlbB 复合材料;这种方法也被用来连接TiAl 接头,但是接头区域由于出现了中间金属相,接头没有达到预期的性能[2125]

2.5. 材料表面处理

   焊接表面的清洁度和平整度对焊接接头也有重要的影响。在扩散焊组装之前必须对扩散焊表面进行处理,主要包括加工符合要求的表面粗糙度、平直度,去除表面氧化物,消除表面的有机物膜,一般经过除油,机械加工、磨削、研磨和抛光,酸洗等措施,有时还采用真空烤箱烘烤以获得洁净表面。对于机加工的硬化层常采用化学侵蚀的方法清理。表面处理的要求还与焊接温度与压力有关,随着连接温度和压力的提高,对表面的要求就越来越低。

 

 

2.6. 阻焊剂

扩散焊时为了防止压头与焊接件或焊接件之间的区域被扩散焊粘接在一起,需要加阻焊剂。阻焊剂的熔点或软化点一般高于焊接温度,具有较好的高温化学稳定性,不与焊件夹具或压头发生化学反应,不影响焊件表面,不破坏保护气氛或真空度。

-钢扩散焊时,可用人造云母片作为隔离压头;钛-钛扩散焊时,可涂一层氮化硼或氧化钇粉。

3. 焊后质量检测

扩散焊接头焊接质量检查方法采用随机抽查进行金相检查,并配以超声波等无损检测的手段。现在,尚无可靠的无损检测方法来检查十分紧密接触的,且晶粒生长未穿过界面不良焊合区域的接头。生产和试验中用超高频(50MHz)的超声扫描检测装置来检查,只对明显分离的未焊合和尺寸较大的孔洞才有效。因此,必须开展研究,摸索可靠的检测方法。当前,还没有用于国内航空扩散焊质量验收的标准,需要通过对工艺参数及工艺程序的研究和实际应用积累来建立行之有效的标准[26]

何鹏等[11]采用扫描电镜、电子探针和 X 射线衍射等方法分析连接界面,焊后依据标准 DIN 85261977,以抗剪强度值评价接头连接强度。

国外在钎焊、扩散焊接头的无损检测方面研究报道较多[20],对于焊缝一面为平面或近似平面的结构,多采用超声C扫描检测焊缝中的未焊合、气孔等缺陷,但对于扩散焊接头中容易产生的一种紧贴的弱结合缺陷,超声C扫描几乎不能检出。涡流检测技术已用于检测钎焊蜂窝的焊料分布情况,渗透检验技术则被用于焊缝外缘焊合情况检测。但对于一些零件形状特别复杂或焊缝周围结构使得接头检测无法实施的焊接,往往需要通过其它途径解决。

超声波检测起着非常重要的作用,但是超声波检测也存在着时间分辨低、反射率低、波长大于缺陷尺寸等的不足,尽管瞬时液相扩散焊接在工业生产中的应用越来越广,然而其接头质量的检测远远没有达到令人满意的结果;因此,要让 瞬时液相扩散焊得到广泛应用就应当在与它相关的工艺方面进行完善,这是瞬时液相扩散焊发展的一个方向[27]

 

4.扩散焊的数值模拟与仿真

为了更好地研究扩散焊规律,借助于计算技术,对接头行为进行数值模拟,以便找到共同规律,同时对扩散连接过程及质量进行预测与实时控制无疑也是今后的研究重点[28]

Grant[29]根据 TLP 的焊接原理模拟出的焊接过程图;焊接前期,焊接温度达到中间层熔点,中间层温度升高,中间层溶化;焊接温度继续升高,中间层完全融化,降融元素向两边扩散,部分母材发生液化;加热温度继续升高,达到最大值,中间层两侧母材进一步发生液化,液宽达到最大值。加热方式导致母材表面受热温度先达到最大值,导致先发生融化,以及受挤压作用导致的液体的外溢,湿润的损失,导致过渡层不均匀;等温凝固阶段,中间层向母材扩散的速度介于固态和液态扩散系数之间,母材与中间层元素发生互相扩散,液相宽度变小;均匀化阶段,由于中间层与母材之间的元素扩散,中间过渡层成分稳定,晶粒生长;元素扩散基本完成,晶粒再结晶完成,过渡层与母材成分基本相同,焊接完成。

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