陶瓷基复合材料辅助脉冲电流液相扩散连接的界面反应及接头强化机制

采用Cu-Zr箔/Cu箔/Cu-Zr箔中间层对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料进行了液相扩散连接实验,研究了辅助脉冲电流对元素扩散、界面反应产物及接头强化机制的影响.结果表明,液相扩散连接过程中辅助脉冲电流条件下可以在较低的焊接温度和较短的焊接时间内实现更高的接头强度.辅助脉冲电流液相扩散连接工艺显著改变了Zr和Cu在Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料和钎缝中的扩散行为,减少Zr的活性,抑制其与Al2O3陶瓷颗粒发生激烈的化学反应.辅助脉冲电流可以抑制陶瓷颗粒相溶解进入焊缝以及界面扩散过渡层和Zr-Cu反应层的厚度,确保焊缝强化以及界面强化,这是辅助脉冲电流液相扩散连接接头具有较高强度水平的关键所在.     

SiCP颗粒增强Al基复合材料的瞬间液相连接

采用Ni箔和Cu/Ni/Cu多层箔作中间层在923K进行了SiC颗粒增强铝基复合材料的瞬间液相连接.研究表明,无压连接时,接头强度随保温时间延长有所增高,但界面处会存在纯金属(无增强颗粒)区域和氧化物夹杂,是导致接头强度不高的主要原因.加压TLP连接则能有效改善界面组织和接头性能.采用Cu/Ni/Cu多层箔作中间层加压连接时接头强度可达189.6MPa,约为母材强度的85%.本文对压力的作用和复合材料TLP连接界面特性进行了讨论.     

Al-Si合金瞬间液相扩散连接接头组织与力学性能

采用扫描电镜、X射线衍射、能谱仪及电子拉伸试验机等测试方法研究了Cu箔作中间层瞬间液相扩散连接(TLP)Al-Si合金接头的组织和力学性能.结果表明,Al-Si合金基体中的Al元素与中间层Cu元素发生共晶反应形成液相,而合金中的Si对Al与Cu的相互作用有一定的阻碍.接头组织主要由α-Al、单晶Si及金属间化合物(CuAl2和Al4Cu9)组成,而金属间化合物的数量随连接时间的增加而减少.剪切试样沿着界面/基体处断裂.当温度为560℃时,随着连接时间的增加,接头抗剪强度先增大后减小,在120 min时达到最大值70.2 MPa;接头塑性和韧性提高,断口表面形貌由脆性特征转变为脆性和韧性共存的混合型断裂特征.     

Ti3Al基合金TLP扩散连接界面的组织演变

以Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(质量分数,％)非晶箔带为中间层,研究了TLP扩散连接Ti-23Al-17Nb(质量分数,％)合金的界面组织演变过程.结果表明,Ti元素和Nb元素向中间层扩散而Ni,Cu和Zr元素向母材扩散驱动了界面组织演变;在扩散初始阶段即930℃,保温5 min时,界面已形成冶金结合;随保温时间延长至15 min,界面析出条形TiNi3(Cu,Zr)化合物,其随保温时间延长更加细小呈弥散分布;直至保温时间延长至120～ 200 min,界面组织转变为均一、粗大的针状魏氏组织.保温时间是影响TiNi3(Cu,Zr)化合物析出形态和分布的主要因素,控制保温时间可有效改变界面化合物状态,该方法是优化此类界面组织以提高接头强度的有效途径.     

Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料与40Cr钢辅助脉冲电流液相扩散连接

采用辅助脉冲电流液相扩散连接方法,对Ti(C,N)-Al₂O₃陶瓷基复合材料与40Cr钢进行了焊接试验,重点研究了在一定加热温度和保温时间条件下脉冲电流对界面元素分布、相结构、反应层厚度以及接头强度的影响规律.结果表明,辅助脉冲电流液相扩散连接可以实现Ti(C,N)-Al₂O₃陶瓷基复合材料的冶金结合,保温时间对焊接接头强度影响不明显,四点弯曲强度数据普遍处于146~180 MPa之间;在脉冲电流作用下,焊缝熔体中原子扩散行为、扩散路径以及扩散速率将发生显著变化,利用该特性,有助于改变界面金属间化合物的生长特性,控制焊缝中低熔点共晶组织含量,进而达到改善和提高焊接接头强度的效果.     

保温时间对20G/316L异种金属TLP焊接接头组织及性能的影响

以非晶态Ni箔为中间层材料,采用高频感应加热系统,对20G/316L进行了瞬间液相扩散(TLP)连接试验,研究了保温时间对接头界面组织、元素扩散迁移情况以及力学性能的影响。结果表明,在焊接温度为1 120℃,保温时间为30～60 min时,20G碳钢与316L不锈钢之间能实现较好的连接;在焊接过程中,不锈钢侧基体中有碳化物析出,且随着保温时间的延长,类奥氏体组织逐渐形成;在较短的保温时间里,中间层Ni元素优先向不锈钢侧扩散,形成一定宽度的扩散层;随着保温时间的增加,碳钢侧界面出现弯曲,界面元素互扩散通量增大;当保温时间增加至50 min时,界面元素扩散充分,细小的奥氏体组织重新生成,接头抗剪强度达到峰值(351 MPa)。     

Ti/Cu/Ti部分瞬间液相连接Si_3N_4的界面反应和连接强度

用Ti/Cu/Ti多层中间层在 12 73K进行氮化硅陶瓷部分瞬间液相连接 ,实验考察了保温时间对连接强度的影响。用SEM ,EPMA和XRD对连接界面进行微观分析 ,并用扩散路径理论 ,研究了界面反应产物的形成过程。结果表明 :在连接过程中 ,Cu与Ti相互扩散 ,形成Ti活度较高的液相 ,并与氮化硅发生反应 ,在界面形成Si3N4 /TiN/Ti5Si3 Ti5Si4 TiSi2 /TiSi2 Cu3Ti2 (Si) /Cu的梯度层。保温时间主要是通过影响接头反应层厚度和残余热应力大小而影响接头的连接强度     

活性金属部分瞬间液相连接氮化硅陶瓷的研究

采用Ti/Cu/Ti多层中间层在1273 K温度下进行氮化硅陶瓷部分瞬间液相连接,考察了保温时间对连接强度的影响,并对连接界面进行了SEM,EPMA和XRD分析.结果表明,通过Cu-Ti二元扩散促使液相与氮化硅发生界面反应,形成Si3N4/TiN/Ti5Si3+Ti5Si4+TiSi2/TiSi2+Cu3Ti2(Si)/Cu的梯度层.保温时间影响接头反应层厚度,从而影响接头的连接强度根据活性金属部分瞬间液相连接陶瓷的界面行为,建立了活性金属部分瞬间液相连接陶瓷的理论模型.该模型较好地解释了Ti/Cu/Ti和Ti/Ni/Ti连接氮化硅陶瓷的异同点和连接工艺参数的选择.     

Mg/Cu/Al接触反应钎焊工艺及元素扩散行为分析

采用铜中间层对镁合金与铝合金进行了接触反应钎焊,利用SEM,EDS研究了接头的微观形貌及组织结构,并对界面Cu元素的扩散行为进行了分析. 结果表明,铜中间层可有效阻隔镁与铝的接触反应,界面无Mg-Al系金属间化合物生成;相同温度下,Cu原子在Mg元素中的扩散能力远大于在铝中的扩散能力,导致Al/Cu侧在温度低于560 ℃时无法产生有效连接,且温度高于570 ℃时镁合金溶解过多,工艺区间过窄. 在565 ℃保温20 min可实现连接,但抗剪强度仅12.6 MPa. 采用低温长时间保温,随后高温短时加热的工艺可实现Mg/Cu/Al接头有效连接. 在475 ℃保温60 min,560 ℃加热7 min的条件下,接头强度可达31.2 MPa.     

保温时间对添加中间层的钢/Mg焊接接头显微组织和性能的影响

通过添加Cu箔中间层,采用两次焊接法连接不锈钢和镁合金,并对其焊接接头的剪切强度、显微硬度、显微组织进行了测试分析。结果表明,不锈钢-铜-镁扩散连接接头界面连接良好;焊接接头剪切强度随保温时间的增加先增加后减小,最大值达到45.2 MPa;金属间化合物显微硬度高于两侧Mg合金和Cu箔;随着保温时间的增加,金属间化合物层厚度增加。     

采用辅助脉冲电流液相扩散连接Ti(C,N)-Al_2O_3的接头形成行为及强度

采用辅助脉冲电流液相扩散连接方法,对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料与40Cr钢进行了焊接试验,重点研究了在辅助脉冲电流作用下,界面及焊缝组织演变、基体材料溶解等界面行为,探讨了工艺参数对接头强度及断口形态影响规律.结果表明,通过采用辅助脉冲电流液相扩散连接Ti(C,N)-Al2O3与40Cr钢,可以在较短的焊接时间条件下获得较为稳定的接头强度,四点弯曲平均强度位于231~272 MPa之间;降低焊接件整体加热温度以缓解接头残余应力,控制界面和焊缝化学冶金反应进程以较少金属间化合物数量、提高固溶体含量,抑制活性元素Zr向陶瓷基复合材料中的扩散进程以减少陶瓷颗粒向焊缝中的溶解量,是提升焊接接头强度的关键因素.     

SiCP颗粒增强Al基复合材料的瞬间液相连接

采用Ni箔和Cu/Ni/Cu多层箔作中间层在923K进行了SiC颗粒增强铝基复合材料的瞬间液相连接。研究表明,无压连接时,接头强度随保温时间延长有所增高,但界面处会存在纯金属（无增强颗粒）区域和氧化物夹杂,是导致接头强度不高的主要原因。加压TLP连接则能有效改善界面组织和接头性能。采用Cu/Ni/Cu多层箔作中间层加压连接时接头强度可达189．6MPa,约为母材强度的85％。本文对压力的作用和复合材料TLP连接界面特性进行了讨论。     

Ti-Nb-Cu作缓冲层的TiC金属陶瓷/304不锈钢扩散连接

对TiC金属陶瓷和304不锈钢进行真空扩散连接实验,并采用Ti/Nb/Cu中间层以实现活性连接并缓解接头残余应力的目的。对焊接接头进行详细的组织分析和力学性能测试来评估焊接工艺。分析发现在TiC金属陶瓷和304不锈钢之间形成明显的转变过渡区,界面反应产物为（Ti,Nb）,剩余Nb,剩余Cu以及 Cu（s.s）。连接温度925℃,保温时间20min,压力8MPa下得到的接头剪切强度达84.6MPa,此时脆性断裂发生在靠近界面处的陶瓷内部。结果表明,中间层Ti/Nb/Cu的合理选择能很好的降低金属间化合物对接头性能的有害作用,而且Nb对接头残余应力的改善起到关键作用,有效的提高了接头强度。     

镁合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接

以Cu箔为中间夹层对AZ31B镁合金与304不锈钢进行瞬间液相扩散连接,研究了焊接接头的微观结构和连接强度。结果表明,在510℃/30 min、530℃/10 min下进行扩散连接时,接头界面区没有出现共晶液相,界面结合较弱;520℃/30 min、530℃/20 min时,接头界面区形成Mg-Cu共晶液相,焊缝宽度显著增加,界面结合强度提高;530℃/30min时,镁基体一侧形成350μm的层状扩散区,接头显微组织依次是Mg-Cu共晶组织层、富Mg固溶体层、弥散分布于镁合金基体的Mg17(Cu,Al)12相和分布于镁合金晶界的Mg-Cu-Al三元化合物所组成的镁合金基体渗透区,其剪切强度达到最大(52 MPa);540℃/30 min、530℃/40 min时,界面扩散区的共晶液相发生等温凝固,镁合金基体晶界处Mg-Cu-Al三元金属间化合物呈连续网状分布,接头的剪切强度降低。AZ31B基体发生了再结晶及晶粒长大。     

连接温度对纯铜瞬时液相扩散连接接头组织及力学性能的影响

采用Cu46Zr46Al8非晶薄片作为连接中间层,在温度750～900℃、压力0.5 MPa、保温时间300 s条件下,对纯Cu进行瞬时液相扩散连接,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对连接层组织和成分分布进行了分析,并对连接试样的力学性能进行了测试。结果表明,连接界面结合良好,当连接温度较低时(750～800℃),基体与连接界面层发生了扩散反应,形成了3层Cu-Zr金属间化合物反应层;当连接温度在850～900℃时,基体以胞状生长方式长入中间层,而中间层凝固成片层状共晶组织(Cu9Zr2和Cu)。900℃连接试样的抗拉强度为345 MPa,表现出良好的塑性。     

SiCP/Al复合材料的真空扩散钎焊

文中采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiC_P/Al复合材料,采用SEM,EDS,XRD分析接头界面组织,研究了钎焊温度对接头界面组织及力学性能的影响,并结合Al-Cu二元相图分析接头形成机制.结果表明,固定连接压力为1 MPa,保温时间为10 min,当钎焊温度从590℃升至640℃,接头界面产物由Al₂Cu+αAl共晶组织转变为断续的Al₂Cu金属间化合物,Al-Cu液相向两侧母材扩散的距离增加,接头的抗剪强度呈现先增大后减小的变化趋势.当钎焊温度为620℃,保温时间为10 min,连接压力为1 MPa时,接头的抗剪强度达到最大值69 MPa.     

连接温度对Ti为中间层钨/铜合金扩散接头组织和强度的影响

选取Ti箔作为钨与铜合金(CuCrZr)连接的中间层,考察了连接温度对扩散连接接头的显微结构和强度性能的影响。结果表明:扩散层中脆性金属间化合物对接头强度有重要影响,当连接温度为1030℃时,Ti与Cu发生共晶反应全部转化为液相并且大部分被挤出连接区域,少量残留的金属间化合物促进接头强度提高,剪切强度甚至超过W母材。     

Impulse Pressuring Diffusion Bonding of Titanium to Stainless Steel Using a Copper Interlayer

采用Cu作中间层对工业纯钛和1Cr18Ni9不锈钢进行了脉冲加压扩散连接。在连接温度850 ℃,脉冲压力8~20 MPa工艺条件下,在120~180 s时间内即实现了钛与不锈钢的有效连接,与传统扩散焊相比连接时间大幅缩短。在Ti/Cu界面生成了大量的Ti-Cu金属间化合物;而在Cu/不锈钢界面只生成了Cu在奥氏体不锈钢中的固溶体,Cu中间层有效地阻隔了Ti与不锈钢之间的扩散和反应。在连接时间为120 s时得到了最大的连接强度346 MPa。在拉伸载荷下,接头沿Ti/Cu界面发生脆性断裂。脉冲加压扩散连接能在一定程度上降低界面金属间化合物对接头性能的有害作用,提高接头强度,但不能完全消除界面金属间化合物对接头的不利影响。     

TiB2金属陶瓷与TiAl金属间化合物的扩散连接

对TiB2金属陶瓷与TiAl金属间化合物进行了扩散连接试验，研究了直接扩散连接和采用Ni为中间层进行扩散连接的接头界面结构及工艺参数对界面结构和连接性能的影响。直接扩散连接时，连接界面处生成了Ti(Cu，Al)2金属间化合物，采用Ni为中间层进行扩散连接时，界面处生成了单层TiAlNi2金属间化合物层和两层T1，Al，N2扩散层共三层结构。直接扩散连接时，连接温度T＝1223K，时间t=1．8ks，压力p＝80MPa时接头强度为103MPa；采用Ni为中间层时，连接温度T＝1273K，时间t=1．8ks，压力p=80MPa时接头强度为110MPa。     

Ti／Cu／Ti部分瞬间液相连接Si3N4的界面反应和连接强度

用Ti/Cu/Ti多层中间导在1273K进行氮化硅陶瓷部分瞬间液相连接,实验考察了保温时间对连接强度的影响,用SEM,EPMA和XRD对连接界面进行微观分析,并用扩散路径理论,研究了界面反应产物的形成过程,结果表明：在连接过程中,Cu与Ti相互扩散,形成Ti活度较高的液相,并与氮化硅发生反应,在界面形成Si3N4/TiN/Ti5Si3 Ti5Si4 TiSi2/TiSi2 Cu3Ti2(Si)/Cu的梯度层,保温时间主要是通过影响接头反应层厚度和残余热应力大小而影响接头的连接强度。