材料控制论文 绪论
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第1章 绪论
第1章 绪论
工程上对传统的焊接认识是将被焊的两工件在熔化的状态下，通过焊料使被焊工件结合的一种工艺方法。然而，焊接接头却存在着不稳定的因素：接头的夹渣、结合力不高、焊件变形等缺陷。这些都是困扰企业提高生产效率和产品质量的因素。
另一方面由于航空、航天、空间技术以及微电子技术的发展，在一些关键部件上因材料焊接性较差而影响到部件的安全性、使用寿命以及单材质材料在应用中性能上的缺陷，因此复合材料和异种材料连接结构得到了较大的发展，这些材料或结构使用一般的连接方法都难于达到理想的效果。
TLP连接方法的出现满足了这些难连接结构的需要，因而在上述领域中TLP连接方法具有广阔的工程应用前景。
1.1 TLP连接技术国内现状
我国的扩散焊和钎焊技术，可追溯到秦始皇时期。在西安兵马俑出土的铜马车的制造上，就使用了扩散焊和钎焊技术。目前，钎焊材料的生产属于有色金属行业，而电焊条属于黑色金属行业，这两个行业虽有很大差别，但也有许多共同之处。钎焊与扩散焊技术，在原中国焊接协会的二十三个专业委员会中，（现已调整为十三个），是近年来最活跃、最具发展潜力的专业领域之一。
1993年中国焊接学会在青岛召开“第七届全国焊接学术会议”以来，钎焊专业委员会分别于1994年、1995年、1996年在浙江金华市、湖南大庸市、江苏扬中市召开了第七届、第八届、第九届全国钎焊与扩散焊技术交流会，尤其是1998年10月在江苏无锡召开的第十届全国钎焊与扩散焊技术交流会，收到论文100多篇。四届会议共收到论文近300篇，其中1994年第七届51篇，1995年第八届58篇，1996年第九届68篇。1998年第十届100多篇。论文逐年增加的同时，参会人数更是一届比一届多。与此同时，1994年国际焊接学会（IIW）第47届年会在北京召开，1994年、1995年中国电子学会焊接专业委员会召开的学术会议，我国钎焊与扩散焊工作者提交的论文总数达到113篇。这些统计数字充分说明了我国钎焊与扩散焊技术的研究与应用，在国家经济
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建设中正发挥着越来越大的作用。
北京航空材料研究院采用钛基非晶箔带作为中间层合金，对瞬间液相扩散焊（TLP）工艺，接头的组织和性能，元素分布情况进行了研究和测试分析[1]。
哈尔滨工业大学的现代焊接生产技术国家重点实验室在扩散连接反方面的研究处于国内领先的水平。他们针对异种材料的扩散连接过程，以热力学第二定律为基础进行了扩散连接接头区域元素分布的数值分析。利用耐热合金K5与耐热钢2CrNiMoV的扩散连接对建立的模型的实验验证表明，模型能较好的反映元素的分布规律，可以为扩散连接工艺参数的制定提供一定的参数[2]。
山东大学的杨敏等人对TLP连接接头的性能进行了试样分析。他们利用Nb/Cu/Ni复合层做中间层，采用部分液相扩散连接方法在连接压力，连接时间，冷却速度一定,连接温度变化的条件下氮化硅陶瓷/镍基高温合金进行了部分液相扩散连接实验，通过剪切实验评价连接温度对连接接头强度的影响和采用SEM研究连接温度对接头微观组织的影响并分析得出接头的剪切强度与温度呈抛物线关系，其试样氮化硅陶瓷/镍基高温合金部分液相扩散连接接头，存在的最佳连接温度为1130℃，连接温度影响Cu的熔化量以及接头的微观组织结构形态。
类似的江苏科技大学邹家生等人实验分析过二次部分瞬间液相（PTLP）连接强度，他们采用Ti/Cu/Ni中间层对Si3N4陶瓷进行二次部分瞬间液相连接，研究连接工艺参数对Si3N4 Ti/Cu/Ni连接强度的影响，同时研究的连接强度随实验温度的变化规律，结果表明在该实验条件下室温连接强度随着二次连接温度的提高和二次保温时间的延长而提高，改变连接工艺参数对其二次PTLP连接界面反应层厚度无明显影响，连接强度在实验温度400℃时达到最高，随后随实验温度的升高连接强度降低，800℃以前其高温强度具有很好的稳定性[4]。
扬州大学的张剑峰等人采用铜箔做中间层，在连接温度为853K无压的条件下进行的瞬时液相连接，对TLP扩散连接过程及其动力学模型景象进行[3]
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了分析，结果表明TLP扩散连接理论模型和实验结果之间存在一些差异。对等温凝固过程还需要进一步的探讨。
西安理工大学、河南理工大学、山东电力研究院的陈思杰等人将TLP连接技术用T91钢管和异种钢管的连接[6]，国内关于此研究刚刚开始。他们在用FeNiSiB非晶箔做中间层，采用氩气保护，对T91钢管进行瞬时液相扩散连接，通过正交实验的方法研究了工艺参数对接头组织和性能的影响，分析了TLP连接接头显微组织，力学性能和元素分布，确定了合适的连接工艺参数。他们研究表明，在合适的工艺参数下，焊缝组织成分和基体接近,强度高于母材，可以获得良好的性能[7，8]。
[5]1.2 TLP连接技术国外现状
公元前2500年Smith建议Tutankhamen国王的金质匕首的纪念物上使用该方法。12世纪Theophilus也使用了同样的方法。在公元6世纪，Cellini使用颗粒CuO涂料混合牛脂或胶作为中间层将小金球连接到金质艺术品上，其过程是首先将艺术品在压缩火焰上加热，使得Cu和Au形成共晶体液相，在火焰上均匀化之后，形成无中间层残留的扩散连接结构。18世纪的Little Key to Medieval Arts杂志上也描述了该方法。应当注意的是TLP连接方法最初的应用是建立在同相、同组分系统的基础上的，而现代TLP理论是建立在二元共晶合金系统基础上的。
现代TLP连接方法最初的应用是在上世纪50年代末期，用来连接Ni基、Co基等各种耐热合金。随着技术和工艺的发展，TLP连接方法可以广泛应用于Ti合金、Ni基、Co基耐热合金、半导体、复合材料、异种材料等使用传统方法连接困难的材料组合。
1955年，Tiner发现在Ag钎焊过程中，经过高温长时间连接，接头中间层没有检测到Ag的存在；并且形成的接头抗剪强度极高，但是可惜的是，他没有继续深入探讨。1959年Lynch等人在应用合金为中间层连接Ti时又出现了该现象。通过一系列微观分析表明，中间层材料在连接过程中发生了过量的溶解，并且最后形成了组织均匀的接头，称之为“有效的只有一种晶界的接头”。
Owczarski在1961年首先提出了和TLP相似的概念。连接Zn合金和304不
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绣钢时，由于没有合适的钎料，所以将Zn合金和304不绣钢两种材料简单地对接在一起，通过扩散控制共晶反应，Fe,Cr,Ni和Zn在980℃形成四元低熔共晶液相系统。连接形成的接头具有相当的强度和较好的抗腐蚀性，但是韧性较差，分析表明主要是由于在界面上形成了中间金属相混合物。
1970年Hoppin和Berry在连接Ni基耐热合金时提出了活性扩散连接的概念。中间层成分除了未确定的MPD之外（可能是P或者是B），其余成分基本和母材的成分相同。连接了包括Rene80在内的几种Ni基耐热合金，并进行了应力破坏试验，试验表明接头性能相当于母材强度的70%-90%，但韧性较低。
Duvall等人采用Ni-Co为中间层连接Ni基耐热合金，形成了无界面的连接接头，接头有交性达到了100%[9]。
Nieman和Garrett描述了共晶连接作为一种可能的用Cu作中间层低温低压连接Al-b-B复合材料的方法。该方法也可以用来加工Ti-Al接头，接头区域由于出现中间金属相，使得接头只能达到一定的性能。
液相界面扩散连接是在1978年由Rohr工业发展起来的，用Ni-Cu作为中间层连接Ti蜂窝三明治结构的方法。接头的拉伸性能和表面抛光有关系，因此抛光越彻底，接头的性能就越好。此外，还有其它和TLP连接相类似方法的应用。在较低温度下能够获得高质量的接头，是TLP连接方法得以广泛应用的重要原因。
日本的液相扩散焊接技术始于20世纪80年代末90年代初，主要用于焊接中小直径的钢管。特别值得一提的是：在日本，钢管的液相扩散焊技术已从最初的室内供水、电缆保护管等民用应用场合，向电站锅炉水冷壁管更换修补方面的成功拓展。1998年，三菱重工锅炉事业部首次报道了用TLP焊管技术成功更换电站锅炉水冷壁管(代替手工TIG填丝焊)；2004年，日本的中国电力公司在三菱重工的协助下，成功采用TLP焊管技术实现了管径在150 mm以下的水冷壁管的修补。近年日本关于TLP焊管技术的两度获奖和著名研究单位的不断增多这一事实说明：中、小直径钢管的TLP焊接技术在生产方面的优越性及其机理方面的先进性，已获得日本学术界与产业界的认可，并引起了日本学术界与产业界的极大兴趣[10，11]。这预示着TLP焊管工艺应用潜力十分巨大。
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1.3 液相扩散焊的原理
1.3.1 瞬间液相扩散焊的概念
当将共晶反应扩散焊原理应用于加中间层扩散焊时，就发展为瞬时液相扩散焊（Transient liquid phase bonding,简称TLP焊接或TLP连接）[12]。
瞬时液相扩散连接也称瞬间液相扩散焊(Transient liquid phase bonding，简称TLP焊接或TLP连接)是由D．S．Duvall等人于1974年首次汇总了它的应用并用相图解释了其金属学原理。国内许多文献也称其为过渡液相扩散焊或扩散钎焊。其原理是将成分和熔化温度特殊的中间层合金（厚度2.5～100μm）放置于装配好的工件间，并施加一定的压力，然后在真空或惰性气体的保护下加热到连接温度（1100～1250℃）。在连接温度下中间层首先熔化，润湿母材，在工件的配合面之间形成一薄层液体。当工件在连接温度下保温时，中间层中降低熔点元素快速扩散到母材金属中，使母材的熔点降低，并发生瞬时熔化；同时母材中的高熔点元素原子向已熔化为液相的中间层中扩散，使中间层合金的熔点升高，随后发生等温凝固而完成焊接过程。等温凝固发生后，接头的组织与母材基本相似，但在成分和结构上仍有差别，在此温度下保持一定时间可使接头的成分和结构均匀化，直到与母材相同。为了更好的说明瞬时液相扩散焊的连接过程，图1.1为瞬间液相扩散焊的示意图。
图1.1瞬间液相扩散焊的示意图
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由图1.1可知这里有二段待焊钢管，中间夹着中间层材料，如BNi2，厚度约0.04 mm，钢管轴向加压力F，感应圈通入感应电流加热，并加隋性气体保护其焊缝。焊接温度由红外测温仪检测，并控制焊接过程。
1.3.2 瞬间液相扩散焊的过程
该过程可分为三个阶段
1)第一阶段，液相形成。在焊接之间将中间层材料夹在焊件间，并加上一定的焊接压力，使焊件与中间层材料紧密接触。在保护气体保护下进行加热，直至中间层材料液化和填满间隙。
2)第二阶段，等温凝固。当液相形成并填满焊缝间隙后，进入保温期，它使液固相之间进行充分的扩散。由于液相中使熔点降低的元素大量扩散到母材内，而母材中的一些元素向液相中溶解，因此使液相的熔点逐步升高而凝固，最后形成接头，由于液相的凝固过程是在保温中完成的，故被称为等温凝固。
3)第三阶段，接头均匀化。由等温凝固形成的接头成分很不均匀，为获得成分和组织均匀化的接头，需要继续保温扩散来完成。
上述三个阶段也可以用瞬间液相扩散焊过程示意来表示。如图1.2所示。
图1.2瞬间液相扩散焊过程示意图
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1.4 瞬时液相扩散连接主要特点
(1)生产率高,不用开坡口,焊接时间与壁厚没有关系,主要取决于降低熔点元素(Melting Point Depreant Elements，简称MPD)的扩散性能,数十秒到数分钟便可完成一个接头的焊接。
(2)不需要真空系统,在大气环境下用保护气体即可进行焊接。 (3)接头无余量,过渡圆滑,减小了应力集中,对错边的影响不甚敏感。焊接后不需切削加工。
(4)接头成分与组织不连续程度较轻，接头力学性能不低于母材。 (5)自动化程度高，对操作者技能要求低。 (6)无焊接烟尘与飞溅，利于环保，生产条件好。 (7)对端面准备要求低，允许表面有一定氧化物。 (8) 焊接面广。
对于钢管、钻杆的对焊( 现场或室内), TLP 焊接工艺是一种高性能、高效率、高自动化程度、低变形、无焊接烟尘污染的先进焊接工艺。
1.5 瞬间液相扩散焊的焊接参数及其影响
瞬间液相扩散焊的主要参数有：环境气氛，焊接温度，焊接压力，保温时间，中间层材料。
1.5.1 气氛
扩散焊一般在真空或惰性气体保护的气氛中进行，这样可以避免在焊接过程中，保证焊接表面不产生氧化夹渣缺陷。
真空度、漏气率、保护气体纯度、流量和压力等均会影响扩散焊接状的质量。真空度越高、净化作用越强、焊接效果越好。但过高会增加生产成本。常用的真空度为（1—20）×103MPa。
常用的保护气体是氩气，对某些材料可用高纯废的氨气、氢或氦气。
1.5.2 温度
热温度是扩散焊接中最重要的工艺参数。因为影响扩散焊进展的主要因
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素是原子的扩散，而影响原子扩散的主要因素是浓度梯度和温度。动力学理论对温度在扩散焊中的影响提供了定量的解释，即DEeq/KT式中D为在T温度下扩散系统,E为比例系数，q为扩散激活能,K为波尔兹曼常数，T为绝对温度。此式表明，升高温度对提高原子扩散速度有极大作用，在一定温度范围内温度越高，扩散过程越快，所获得的接头强度也越高。但是它又受到被焊材料、夹具的高温强度、焊件的相变、再结晶等冶金特性的限制。而且温度高于某一定值后，再提高对接头质量的提高不多，甚至会下降，因为可导致晶粒会长大[9,13,14]。
对许多金属和合金，扩散温度为0.6—0.8Tm（K），Tm为母材的熔点。 对于过渡相扩散焊，加热温度比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一些，待液相填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温度可略为下降。
总之，扩散焊接加热温度的选择应保证在短的时间内获得较好的焊接质量，达到完全的冶金结合。在不使接头及母材发生不希望的冶金反应的情况下，尽可能用高些。
1.5.3 压力
焊接压力的主要作用在于使焊接表面产生微观塑性变形，以达到最大的紧密接解，形成金属键和建立原子相互扩散的条件。在某些情况下压力还有利于防止扩散孔洞的产生，所以当其他参数固定时，较高的压力可以提高接头强度。实际应用的压力范围很大，但一般不许超过材料在焊接温度下的总体屈服点，其压力的上限还受到接头的几何形状和设备吨位的限制，高压力需要使用昂贵的设备和更好的控制，还要有更复杂的夹持工件的方法。
除热等静压扩散焊外，通常扩散焊压力在0.5-50MPa之间选用。对于过渡液相扩散焊可选低一些的压力，过大可能导致液态金属被挤出，使接头成分失控。
加压方式有恒载加压、阶梯式加压、脉冲式加压和滚压等。由于扩散焊压力对第
二、三阶段影响较小，所以在固态扩散后期允许将压力减小，以减小焊件变形[15]。
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1.5.4 保温扩散时间
扩散焊接所需要保温扩散时间与温度和压力等工艺参数密切相关，同时也与中间层厚度和对接头的成分、组织均匀度的要求有关。扩散焊走过的平均距离与扩散时间的平方根成正比，即XK2式中X 为平均距离，X为平均距离，τ为时间，K 为常数。如果要求焊接接头成份的均匀化程度越高，保温时间需以平方的速度增长，所以扩散焊时间若过短，接头强度将达不到稳定的、与母材相等的强度。若过长，成分均匀化程度虽提高了，但接头强度不再提商，却会因高温持续时间长而使晶粒长大，或形成脆性金属间化合物，而影响了接头的性能。目前在扩散焊工艺中保温时间一般是几分钟到几小时，有的几十小时。从生产率考虑，在不影响接头质量前提下焊接时间越短越好，要缩短焊接时间就必须相应提高温度和压力[15]。
1.5.5 中间层材料的选择
近年来在采用瞬问液相扩散焊焊管时，最突山的特征表现在选择了低熔点的非晶态金属箔带(不用非晶态粉末)作为中间层。研究其原因，可认为主要有以下几点(主要与晶体金属及非晶态粉末相比)：在厚度方面，采用急冷技术制作的非晶态金属箔带可以做得很薄(几十微米)，有利于扩散后接头成分、组织的均匀化；在成分与熔点方面，非晶态材料的成分很均匀，在一恒定的焊接温度下，能被全部、均匀地熔化；非晶态金属化学成分均匀且无晶界，无方向异性，加工性能好，机械强度高，导磁率很高；薄加之弹性好，容易在焊接时加工成所需的形状；非晶态金属原子排列虽在近距离时为有序状态，但长距离时为无序状态，这种构造上的不规则使得其电阻较大，有利于提高温升速度和热效率；非晶态金属的导磁率高，用高频电源加热时集肤效应效果将更趋明显；由于原子排列在长距离时无须有序排列，因而在合金原子的种类及比例选择方面自由度大，这为向更多的材料扩大这种焊接方法的应用范围和进一步优化接头性能均提供了可能；在表面氧化膜方面，与金属粉末相比非晶态箔带表面积小，氧化物因而少，而采用粉末状中间层的接头性能差的原因可认为是由于表面氧化物及元素的偏析所致。
在选择用于瞬间液相扩散焊的非晶态金属箔带的具体成分时，对于基体
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元素的选择，一般要考虑到非晶态金属箔带的成分应接近于母材，但其熔点应比母材低，强度应比母材高及其它一些诸如防锈、耐腐蚀、耐高温等特殊性能的要求。对于合金元素的选择，起降低熔点作用的元素是必不可少的，而且应在能降低熔点的元素中优选扩散速度快的元素，如B，Si，P等。同时，也需添加能改善液态中间层在母材界面间填充性能的元素。常用的有Fe基、Ni基、Cu基非晶态金属箔带。
1.6 TLP与固相扩散焊及钎焊的比较
(1) 去氧化膜的机理不同 钎焊中氧化膜靠与钎剂反应,生成可溶性的盐溶于钎剂并随之排除去膜的。TLP焊接不放钎剂，而是在真空或保护气氛中进行加热，TLP连接时允许母材表面有一定氧化物存在作用下破裂、分解、球聚而去除。
(2) 凝固机理不同 TLP连接与一般的固相扩散焊相比有下述优点: ①液体金属原子的运动较为自由,且易于在母材表面原子产生的势能场中形成稳定的原子排列而凝固,使界面的紧密接触变得相当容易; ②可大幅度降低焊接压力,缩短焊接时间。与钎焊相比,虽然都需在母材之间放置第3种材料、母材不熔化,但其凝固过程与最终所得接头的成分有本质区别。在TLP方法中, 液相的凝固过程为等温凝固过程， 而钎焊中钎料的凝固是随温度的降低而凝固的；TLP方法所得接头的成分与母材接近, 原始中间夹层已不复存在,接合部无熔焊及钎焊时的凝固组织残留,无组织不连续, 而钎焊焊缝中凝固后的钎料继续存留在母材中间。
(3) 接头强化机制和组织不同 TLP接合接头强度接近或等同于母材的内部机制可分为2种情况: 当均匀化过程进行得很充分时,显微组织中中间层已难以分辨出, 形成了跨越界面的共同晶粒,界面完全消失,实现了真正的冶金结合；当等温凝固结束后而均匀化过程进行得并不充分时,接头强化机制除上述强化机制外,还有最终所得组织方面相对理想(如无低熔脆性相而为固溶体)的原因。两种工艺接头形成过程及强化机制的差别使得采用的接头形式也不同:钎焊常用搭接接头(搭接量常取3倍板厚)，TLP常用对接接头。
[13]
，氧化膜在压力
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1.7 选题意义
管道液相扩散焊技术是综合了固相扩散焊和高温钎焊的技术优点，具有快速、高效和节能环保的特点，由于它可以替代手工电弧熔化焊，并可获得优良的接头组织和机械性能，近年来被国内外工程界、制造业和学术界广泛关注。山东电力研究院经过两年的艰苦攻关，设计并制造了我国第一台管道液相扩散焊机，并在核心工艺和中间层非晶合金方面取得了重要突破，具有生产实用性。它可广泛用于钢铁、石油、电力等行业，具有良好的市场前景[16]。本论文主要研究了在大气环境下TLP连接的温度对12Cr2MoWVTiB/TP304 H 异种钢管连接接头性能的影响。
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