加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

加中间层钛合金与石墨接触反应焊工艺研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

工业、微电子、汽车、石油化工等领域得到了日益广泛的应用。 如航空发动机和航天推进系统以及核工业中的异种金属导管结构、热管结构、陶瓷金属结构、航空航天仪表的双金属构件；电子行业中集成电路板的制造、电子封装以及高级铝铜散热器；汽车行业中的铝钢连接结构；冰箱中的铝铜管路结构等都是异种材料连接结构 [10]。 连接是异种材料连接结构 广泛应用的关键环节，由于异种材料的物理、化学及力学性能方面存在着巨大的差异，对连接方法要求比较苛刻。 机械连接和胶接存在强度低、结构质量大、胶接产生多余物等缺点；而常规熔焊方法则存在： （ 1） 冶金不相容性，界面形成脆性化合物相； （ 2） 由于热物理性能不匹配产生残余应力； （ 3） 力学性能差异巨大，导致连接界面力学失配，产生严重的应力奇异行为 [11]。 上述问题的存在，不但使得异种材料连接困难，而且还影响到接头组织、性能和力学行为，甚至严重影响结构的完整性和可靠性。 由于异种材料连接的特殊性，常用方法有：熔钎焊、钎焊、扩散钎焊、扩散 焊、冷压焊、摩擦焊等特种连接技术。 但是由于 石墨的原子键结合得很牢固，在高温下强度大，吸收热中子截面小，导热性好，具有极高的熔点（升华温度）和耐热冲击性能。 石墨还有良好的导电性能和优良的抗腐蚀性能。 但石墨材料的抗拉强度很低，塑性差，其线胀系数则远比一般金属为低，仅为（ ~） 106/℃ [12]。 石墨是一种多孔材料，在空气中温度为 400℃以上时能急剧氧化。 因为石墨的熔点很高且在空气中高温下容易氧化，所以不宜采用熔化焊的方法，石墨焊接最常用的方法为扩散焊、钎焊。 与金属的连接方法有机械连接、粘接、 钎焊、扩散焊等，其中研究最多、应用最广的焊接方法 应 当属扩散焊和钎焊。 特别是，由于 扩散 焊方法对母材组织和性能的影响较小；母材焊接变形较小；因此 扩散 焊方法成为一种 比较普遍的研究 石墨与金属的连接方法 [13]。 由于石墨不像金属那样存在大量的自由电子，而是以共价键结合在一起，在石墨与金属的焊接中存在以下的困难： （ 1）石墨以共价键结合在一起使其表面能很低，因此它的表面润湿性很差，大多数常用钎料对它难于润湿或不润湿，在进行钎焊时往往会发生连接强度不高或者不完全焊合的情况 [14]。 （ 2）石墨的线膨胀系数远低于大多数金 属材料，在焊接降温过程中接头处会产江苏科技大学本科毕业设计（论文） 8 生很大的残余应力，且石墨的抗拉强度很低，极易产生裂纹，使接头的强度下降。 鉴于存在上述问题，在石墨与金属连接的过程中，需要研究石墨 在扩散焊条件下石墨 /金属接头的界面结构，并对焊后的接头进行性能分析，这样才能获得性能可靠的石墨 /金属接头。 使用真空 钎 焊的原因 真空钎焊是在真空气氛中不用施加钎剂而连接零件的一种先进的工艺方法，可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构，而得到光洁的致密，其具有优良的力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头 [15]。 材料的扩散焊是以 “物理纯 ”表面的主 要特性之一为根据，该种表面由于开裂的原子键而具有 “结合 ”能力。 采用真空和其他净化表面的方法之后，就有可能利用上述原子结合力，来连接两个和两个以上的表面，随后表面上产生的扩散过程提高了这一连接的强度。 扩散焊接要求有一足够的挤压力，以便使焊接表面之间的距离缩短到原子之间力的相互作用半径。 连接某一材料所需的压力应足以消除工件表面微观的不平度。 在真空中，高于再结晶温度时只施加不大的压力，就足以使相接触的焊件接合如果连接区域扩散开，并具有体积特性时，则就获得了连接的可靠性和强度。 真空 钎 焊原理 真空钎焊时去除氧 化膜的机理主要有：氧化膜在高温、高真空中可自行分解；金属元素和金属氧化物的挥发破坏了金属表面的氧化膜等，对于高合金钢而言，是由于氧化物破裂，钎料渗入后与碳反应产生二氧化碳，对于铝合金而言，由于 Al2O3 与碳作用生成了低价氧化物；钛合金则是因为表面化合物增厚而破裂。 真空钎焊可以去除铝、钛等氧化膜，因此提高真空度和钎焊温度，有利于除去金属氧化膜。 液态钎料润湿基体金属表面是形成钎焊接头的必要条件。 衡量液态钎料对基体金属润湿性的标准是润湿系数。 它是液态钎料、固体金属和钎焊气氛三者之间相互作用的结果，液态钎料如果能 够润湿基体金属，则在毛细作用下填满接头间隙，形成钎焊接头。 能否形成优质钎焊接头，要根据液态钎料与基体金属之间的作用来决定。 钎料元素向基体金属的扩散 钎焊时，钎料中合金元素会从高浓度向低浓度扩散，扩散量和扩散速度除了与元素的浓度梯度有关外，还与扩散面积和扩散时间成正比。 扩散系数随温度的升高而增江苏科技大学本科毕业设计（论文） 9 加。 扩散的结果，在靠近基体金属的钎缝附近形成固溶体，当钎料元素能与基体金属形成共晶时，钎料组元会向基体金属的晶界，形成的低熔共晶体叫做晶间渗入。 由于它较脆，对接头性能有不良的影响。 基体金属在液态钎料中溶解 如 果基体金属和液态钎料是互溶的，在钎焊过程中，一部分基体金属有可能溶解于钎料中。 只要溶解量在适当的范围内，对于接头性能是有利的。 但溶解量不适当时，则使钎料的熔点提高，从而产生焊不透等缺陷。 基体金属如过多的溶解到钎料中，则在基体金属上就会出现凹陷，甚至熔穿的现象，这种缺陷叫做熔蚀，必须避免。 （ 1）钎缝组织 在合金状态图上，如果基体金属能与钎料形成固溶体，或者基体金属与钎料合金的基本元素相同，则可得到固溶体组织的钎焊缝。 这些钎焊接头塑性好，强度高，是理想的钎焊接头组织。 （ 2）金属间化合物 金属间化合物一般硬而 脆，会降低接头的塑性和强度，特别是当化合物形成连续层时，影响更大。 因此，应尽量避免钎缝中出现化合物组织。 当钎料中含硼量高于4%时，即可形成 Ni2B 的金属间化合物。 如果接头间隙很小，硼、硅等形成化合物的元素就容易扩散到基体金属中，但由于结晶时间较短，就可减少或避免金属间化合物的形成。 当间隙一定时，提高钎焊温度或延长钎焊保温时间，增加硼、硅等形成化合物的元素就容易扩散到基体金属中，但由于结晶时间较短，就可减少或避免金属间化合物的形成。 当间隙一定时，提高钎焊温度或延长钎焊保温时间，增加硼、硅等元素的扩散量，也可 减少或避免形成金属间化合物。 真空 钎 焊的优缺点 真空钎焊的的优点 :(1)全部钎焊过程，被钎焊零件处于真空条件下，不会出现氧化，添碳，脱碳及污染变质等现象。 (2)钎焊时，零件整体受热均匀，热英里小，可将变形量控制在最小限度，特别适宜精密产品的钎焊。 (3)基体金属了钎料周围存在低压，能够排除金属在钎焊温度下释放出来的挥发气体和杂质，可使基体金属性能得以改善。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 10 (4)因为不用钎剂，所以不会出现气孔，夹杂等缺陷，可以省掉钎焊后清晰残余钎剂的工序，节省时间，改善了劳动强度，对环境无污染。 (5)可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成。 选择适当的钎焊工艺参数，还可将钎焊安排为最后的程序，而得到符合要求的钎焊接头。 (6)可一次钎焊多道临近的钎缝，或同炉钎焊多个组件，钎焊效率高。 (7)可钎焊的基体技术种类多，特别适宜钎焊铝，钛和钛合金，不锈钢等。 (8)开阔了设计产品的设计途径，对带有狭窄沟槽极小的过度台盲孔的部件和密容器形状复杂的零件组图均可采用，无须考虑由钎剂引起的腐蚀，清洗，破坏等问题 .因为真空钎焊的适应性强所以它有很好的经济性 .对于钎焊金属零件需具备以下 3 个因素 :充满接头的钎料，防 止氧化的真空和零件的加热方法。 总而言之，真空钎焊可以得到以下好处：可以经济的焊接复杂的和多零件组装件；有两好的应力分布和热传导；用简单的方法可实现大面积或长度的连接；能使铸造材料和变形金属连接；能使某些非金属和金属连接；能使异种金属相互连接；能够使大型组装件在无应力集中下焊接；能保持被连接金属的冶金特征；能够提高知道公差；能严格控制工艺过程。 真空 钎焊 的缺点： 在真空条件下金属易于挥发，因此对含易挥发元素的基本金属和钎料不宜使用真空钎焊。 如确需使用，则应采用相应的复杂的工艺措施。 真空钎焊对钎焊前零件表面粗 糙度、装配质量、配合公差等的影响比较敏感，对工作环境和工人理论水平要求较高，应用受到一定的限制。 真空设备复杂，一次性投资大，维修费用高。 真空钎焊时，为了获得优质的钎缝，关键的条件是使液态钎料能够充分地流入并致密地填满全部钎焊间隙，并与母材基体金属很好地进行相互的物理化学作用，形成新合金，在冷凝结晶后，得到合乎要求的钎焊接头。 在钎焊高温作用下，母材基体金属和钎料本身的表面都可能很快地生成一层薄氧化膜，阻碍二者的直接接触与相互作用。 为了实现钎焊过程，必须彻底清除并防止继续生成这种氧化薄膜。 不同的钎焊方法采用 不同的除氧化膜和防止氧化措施。 在一般钎焊方法中，主要是通过钎剂的化学作用或介质气体的还原作用去除氧化膜的。 而真空钎焊时，不使用钎剂和介质气体，去除氧化膜的作用，是通过真空状态本身来实现的。 因此，真空钎焊接头的形成，包含三个相互有关的过程。 一是真空条件下氧化膜江苏科技大学本科毕业设计（论文） 11 的去除过程；二是钎料填满钎焊间隙的过程；三是钎料与母材基体金属相互进行物理化学作用的过程。 石墨与钛合金的 钎 焊技术研究 根据石墨的钎焊性特点，石墨与 钛合金 的钎焊方法可分为两大类：一类是石墨表面处理后钎焊，石墨的表面处理后，在其表面沉积一层牢固的金属 膜，即表面金属化，或生成一层碳化物薄层，从而可以用常用的钎料进行钎焊。 大多采用 CVD 法将金属化元素沉积在石墨表面上，但是，由于石墨 CVD 法处理时温度较低，一般在金属膜与石墨界面上不产生碳化物反应。 石墨经表面处理后再钎焊的方法由于增加了一道工序，因而应用不广，但在一些特殊的场合有其不可替代作用。 另一类方法是直接钎焊法，特别是活性钎料钎焊法是目前应用最多的方法。 它利用钎料中含有的活性元素与石墨反应，在界面处生成碳化物而改善润湿性， Ti、 Zr、 Hf 等过渡金属，具有很强的化学活泼性，对于碳具有较强的亲和力，它们很容 易与 Cu、 Ni、 Ag 等形成活性合金钎料。 由于石墨在高温下易氧化，因此石墨的直接钎焊必须在真空中或在惰性气体保护下进行钎焊。 石墨与 钛合金 的直接钎焊要根据要求选用相应的活性钎料。 石墨与 钛合金 钎焊接头的热应力主要是由于石墨与钎料之间的线膨胀系数差别而引起的。 因此，对于线膨胀系数高的钎料，所钎焊的接头一般不使用于承受大的热冲击负荷和温度差的热循环工作场合 [18]。 石墨和 TC4 合金接触反应的目的及意义 石墨与钛合金的焊接接头可以充分发挥石墨和钛合金各自的优势，即石墨的耐高温性、润滑性、耐腐蚀性、可塑性和抗热震 性，以及钛合金的强度高、耐蚀性好、耐热性高，因而被大量应用于铝冶炼、重化工、原子能、航天航空等国民经济各部门。 因此研究石墨和钛合金的接触反应具有重要的意义 [19] 本课题研究内容 （ 1）在环境真空的情况下，选择不同的加热温度，研究不同温度 对焊缝组织及性能的影响。 （ 2） 在一定的温度范围和保温时间内，加热温度不变时，保温时间的选择对焊缝组织及性能的影响。 （ 3） 确定使用真空 钎 焊石墨 /TC4 合金 的最佳 焊接 工艺。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 12 第 2章 实 验材料、设备和方法 实 验材料 本课题主要使用的材料有：石墨 、 TC4 合金片 若 干 和、 30μm 的 Ni 箔片和 10μm 的 Cu/Ni 箔片 ，丙酮 (CH3COCH3)、无水乙醇 (CH3CH2OH)、金相砂纸、 颗粒度为 Al2O3抛光液 、 灯 心绒抛光布。 本试验所要实现的是 石墨 和 TC4 合金 异种材料之间的连接。 焊接前，将 纯 C 和TC4 合金 加工成 20mm20mm2 mm大小。