层状陶瓷与镍扩散连接接头微观组织及性能

采用扩散连接方式对Ni与Ti_(3)AlC_(2)陶瓷进行连接,为了对Ni与Ti_(3)AlC_(2)的反应层进行详细分析,利用SEM、TEM对接头的微观组织进行研究,了解Ni扩散机制及接头形成机理.结果表明,在扩散连接过程中,Ni元素向原始Ti_(3)AlC_(2)陶瓷组织的扩散优先沿着晶界及相界面进行,在此处Ni会发生明显的富集,由于Ni与Ti_(3)AlC_(2)陶瓷有较好的化学相容性,因此两者之间能够发生化学反应形成扩散连接接头,随着保温时间的延长,Ni的扩散更加充分,因此形成较为连续的Ni的扩散层.在扩散连接温度为900℃,保温时间为60 min时,Ni与Ti_(3)AlC_(2)陶瓷扩散连接接头的典型界面组织为Ni/Ni_(3)(Al,Ti)+AlNi_(2)Ti+TiC/Ti_(3)AlC_(2)陶瓷,随着扩散连接温度升高,接头抗剪强度表现为先增后减,当扩散连接温度为900℃,保温时间60 min,Ni/Ti_(3)AlC_(2)陶瓷接头具有最优的力学性能,抗剪强度可达94.4 MPa.

喷丸处理对2219铝合金扩散连接影响研究

采用湿喷丸技术处理铝合金表面,研究喷丸强度对2219铝合金扩散连接的影响。结果表明:随着喷丸强度的提高,表面粗糙度由0.1 mm N的1.917μm增加到0.3 mm N的3.401μm,且过大的喷丸强度易导致表面出现轻微的剥落损伤现象;喷丸强化提供的残余应力场可以促进界面的扩散连接过程,一方面加速溶质原子扩散并在界面聚集成相且与氧化物产生交互作用;另一方面促进再结晶晶粒形成,利用新晶界的动态迁移过程消除原始界面,两者共同作用提升了界面的愈合效果,0.1 mm N时界面剪切强度可由无喷丸的12.6 MPa提升至41.1 MPa。

5A06铝合金棒非真空瞬间液相扩散连接工艺

采用成分为Al-7Si-20Cu-3Mg-3Zn-1Ni-1Ga的自制中间层,对5A06铝合金棒进行非真空瞬间液相扩散连接。借助扫描电镜、X射线衍射、电子探针和万能拉伸机等对不同焊接工艺下的接头微观组织形貌与力学性能进行研究,建立微观组织与断口形貌之间的联系,并讨论不同焊接工艺参数对接头连接过程的影响。结果表明,在焊接温度为550℃,保温时间为20 min时,接头的力学性能最佳,平均抗拉强度达到201 MPa,约为母材强度的72%。随着焊接温度的升高,接头会因过高的焊接温度而氧化,同时在焊接压力的作用下,接头因软化而产生裂纹;随着保温时间的增加,焊缝中心形成少量条块状Al-Mg-Cu三元共晶相及少量SiO_(2),部分SiO_(2)之间发生偏聚导致难以焊合,进而在焊缝中产生裂纹,严重影响接头性能。

VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)高熵合金中间层真空扩散连接TC4钛合金和T2铜

根据伪二元合金设计策略和共晶高熵合金设计理念,设计并制备了VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)共晶高熵合金中间层用于真空扩散连接TC4钛合金和T2铜,研究了不同连接温度对TC4/T2扩散连接接头微观组织和力学性能的影响规律.结果表明,所有接头界面结合良好无缺陷产生,在TC4侧的连接界面附近发生了部分相变,由α-Ti向β-Ti进行转变,并且形成了部分魏氏体组织.Ti_(2)(Co,Ni),Ti_(2)(V,Cr,Al),Ti(V,Cr,Co)和(V,Cr)(Al,Ni,Co)相形成在TC4/VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)界面上,而VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)/T2界面上形成了(V,Cr)(Al,Ni,Co)和(V,Cr)(Cu,Ni,Co)_(3)相.界面上形成高熵微观组织结构起到高熵固溶强化作用,扩散层Ⅰ和Ⅱ对应的生长激活能分别为229 kJ/mol和191 kJ/mol,接头抗剪强度在880℃时达到最大为194 MPa,接头主要沿着BCC基体相和B2相交替位置断裂,断口表面出现河流花样特征,属于一种典型的解理断裂模式.

钛合金扩散连接技术及其层合结构疲劳裂纹扩展研究进展

本文主要对钛合金的扩散连接及层合结构疲劳裂纹扩展行为的研究进展进行了综述,总结了扩散连接钛合金界面的微观组织演变和疲劳裂纹扩展特性。首先概述了超塑成形/扩散连接技术的应用背景和优势,以及提高钛合金扩散连接界面质量的辅助技术(如添加中间层、热氢处理、脉冲电流加热和表面改性)。从钛合金扩散连接和钛合金与其他合金扩散连接两方面综述了界面组织和力学性能,指出组织演变严重依赖界面处合金元素种类和元素相互扩散能力。扩散连接技术可用来制备同种和异种合金的层合结构,且可灵活控制界面焊合与未焊合区域的形状与分布。最后,简述了同种或异种钛合金扩散连接层合结构可降低疲劳裂纹扩展速率,从而优化钛合金构件的疲劳损伤容限性能。

钛/铝异种金属扩散连接及其界面调控的研究进展

钛/铝复合构件具有轻量化、高强度、耐腐蚀等优势,使其广泛应用于新能源汽车、航空航天等领域。但是钛/铝之间的物理性能差异较大,且冶金反应容易生成如TiAl_(3),TiAl等脆性的金属间化合物,导致钛/铝异种金属接头性能下降。为了解决上述问题,基于扩散连接技术在异种金属连接方面变形小、无污染、冶金结合致密等优势,文中详细讨论了扩散连接技术在钛/铝异种金属连接上的应用,以及连接温度、保温时间、压力等焊接工艺参数、焊后热处理工艺、中间层对接头的影响。重点总结了工艺调控和添加中间层调控钛/铝接头的组织和性能。结果表明,工艺调控和添加中间层调控相结合可以最大限度的调控脆性金属间化合物的类型和降低金属间化合物的厚度。在此基础上,讨论了钛/铝异种金属扩散连接的发展趋势。

TC4钛合金扩散连接接头的振动疲劳特性及劣化机理

为了研究扩散连接工艺对材料振动疲劳特性的影响,对扩散连接后的TC4钛合金和原始母材进行一系列振动疲劳试验以及显微组织表征。结果表明:扩散连接的热循环过程引起TC4钛合金显微组织变化,并导致其振动疲劳性能降低。经扩散连接后,TC4钛合金晶粒尺寸的不均匀性增加,加重了材料不同取向α晶粒间的不协调变形,从而使微孔洞易于在晶粒尺寸差异较大的两α晶粒的晶界上萌生,或者在较大α晶粒的内部萌生。同时,扩散连接后材料α晶粒取向的变化使得柱面滑移系更易被启动,促进了裂纹更早地萌生。此外,扩散连接后TC4钛合金β相含量的增加为微孔洞提供了更多的形核位置。因此,由扩散连接热循环过程造成的晶粒尺寸不均匀性增加、晶粒取向变化和β相含量增加使扩散连接TC4钛合金的振动疲劳性能劣化。

工艺参数对5A90铝锂合金扩散连接质量的影响规律

采用金相显微镜、扫描电镜和真空热压烧结炉等设备探究了5A90铝锂合金的扩散连接工艺。结果表明,在扩散连接过程中,随着温度的升高和保温时间的延长,试样中白色强化相增多,空洞减少,焊合度明显提高。剪切强度随扩散连接温度的提高而降低,随保温时间的减少而降低,进而使连接强度降低;这主要是由于扩散温度及保温时间对原子扩散过程产生影响。试样界面15μm的粗糙度避免了氧化铝薄膜的过厚,并保证了扩散连接时接头处的局部接触,使氧化膜破裂,得到最佳接头质量。典型参数下的断裂发生在母材中,以穿晶断裂为主要断裂形式,证明了5A90铝锂合金扩散连接接头的可靠性。通过对比分析,得到扩散连接最佳工艺参数为:连接温度540℃、保温2.5 h、表面粗糙度15μm。

C18150/316L扩散连接界面微观组织及性能研究

采用真空扩散连接技术制备了C18150/316L复合板,通过室温剪切试验对其结合性能进行了测试。采用光学显微镜观察复合板结合界面附近的显微组织,并利用扫描电镜(配X射线能谱仪)分析了断口形貌及界面附近Cu、Fe、Cr、Ni等元素的分布情况。结果表明,C18150/316L界面附近组织致密,并且形成了大量Cu、Ni固溶体,不存在裂纹、孔洞、杂质等微观组织缺陷。复合板界面剪切强度约为228 MPa。剪切断裂发生在靠近C18150母材一侧,并且断裂前发生了10%~12%的应变,表明连接界面的强度高于C18150母材。在室温、200℃、300℃下,向密闭空腔结构内通入压力为1 MPa的高纯氦气进行检漏,测得的实际漏率均为1.1×10^(-10)Pa·m^(3)/s,表明连接界面具有良好的气密性,满足核聚变装置壳体加工制造对材料漏率的相关要求(小于1.5×10^(-8)Pa·m^(3)/s)。

Ti_(2)AlNb合金蜂窝结构电流辅助成形-扩散连接工艺研究

Ti_(2)AlNb合金蜂窝结构采用辊弯-热校形-点焊复合工艺制备,存在工艺周期长、能耗高、构件精度低、可靠性差等缺陷。本文提出Ti_(2)AlNb合金蜂窝瓦楞板电流辅助辊压成形工艺,利用局部成形位置的高电流密度抑制构件回弹。同时,采用扩散连接工艺制备蜂窝结构,实现蜂窝结构的可靠连接。当电流密度高于阈值(20 A/mm^(2))时,电流密度对于V形弯曲回弹的抑制作用显著。当电流密度达到60 A/mm^(2)时,V形弯曲回弹已基本消除。在瓦楞板电流辅助辊压成形过程中,当最大电流密度增大至66 A/mm^(2)时,瓦楞板的成形角度由125.5°降低为121.3°。设计了Ti_(2)AlNb蜂窝结构扩散连接工装,在970℃/15 MPa/2 h热压工艺参数下,制备了蜂窝结构样件,六边形元胞的尺寸一致、精度高。

超塑成形/扩散连接设备的设计与开发

开发了一种超塑成形设备,确定并详细叙述了超塑成形设备的设计方案。设备主体框架采用液压预紧组合拉杆框架式结构,采用6个活塞缸和4导向杆结构,确保了加压的均匀性和导向精度。液压系统采用伺服电机驱动油泵形式,降低了能源消耗,气压控制精度保证了超塑成形/扩散连接零件的准确度。设备具有结构紧凑、耐用性强、工件成品率高等特点。

微观组织对钛合金扩散连接层合板疲劳裂纹扩展行为的影响

采用扩散连接技术制备了TA2/TA2/TA2层合板。通过引入Ti55异质层制备了TA2/Ti55/TA2异质层合板。通过疲劳裂纹扩展试验,比较了两种层合板的疲劳寿命,研究了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响。通过SEM和EBSD微观分析方法,揭示了异质层对层合板疲劳裂纹扩展行为的影响机理。异质层合板的疲劳裂纹扩展寿命是同质层合板的1.65倍。裂纹尖端从TA2层进入TA2/Ti55界面时,疲劳裂纹扩展速率降低了53.1%。界面壁垒增加、疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小和晶粒择优取向弱化均延缓了疲劳裂纹扩展速率的增速。

传统扩散连接在金属材料加工中的研究及应用

高性能金属材料往往离不开好的加工工艺,扩散连接技术在金属材料领域发挥着重要作用。介绍了扩散连接技术的基本原理,解释了材料的固态扩散过程,以及与传统焊接方法相比的优势。讨论了扩散连接的影响因素,包括工艺参数、元素扩散和界面结合强度与断裂机理,尤其是温度、压强、保温时间对接头强度的影响。探讨了扩散连接在航空航天、核能领域的应用,并对扩散连接的进一步研究方向提出了建议。

以Si-CaO/Al_(2)O_(3)-Si为连接层的C/C复合材料扩散连接接头微观组织及其剪切强度

CaO/Al_(2)O_(3)用于SiC之间的扩散连接,具有接头强度高、连接可靠等优点,但CaO/Al_(2)O_(3)与C/C复合材料的润湿性差,不宜直接用于C/C复合材料的扩散连接。为解决C/C复合材料难以焊接以及连接接头强度较低的问题,本文采用Si-CaO/Al_(2)O_(3)-Si复合夹层作为连接层,对C/C复合材料进行扩散连接,通过Si与C/C在高温下反应生成SiC以及SiC与CaO/Al_(2)O_(3)之间的相互作用,获得高强度接头。结果表明,随着保温时间的延长,接头的剪切强度先升高后下降。1500℃保温90 min的接头,剪切强度达到38.17 MPa,连接接头内部形成“富Si的过渡层-中间层-富Si的过渡层”对称结构,接头中生成的物相主要包含SiC以及由Al_(2)SiO_(5)、SiO_(2)、CaAl_(4)O_(7)等构成的复合玻璃相,剪切断裂主要发生在C/C基体上,说明接头强度及其与基体的结合强度超过了基体强度,是一种非常可靠的连接方式。

采用电镀镍/铜中间层TLP扩散连接TC4钛合金

采用电镀镍/铜中间层实现了TC4钛合金瞬时液相扩散连接,采用配备有能谱探测器的扫描电子显微镜和X射线衍射仪对接头的微观组织进行分析,并结合Ti-Cu和Ti-Ni二元相图阐明了反应机制。结果表明,瞬时液相扩散连接接头的典型界面组织为TC4/α-Ti+Ti_(2)(Cu,Ni)/Ti_(3)Cu_(4)+TiCu+Ti_(2)(Cu,Ni)/α-Ti+Ti_(2)(Cu,Ni)/TC4。随着连接温度的升高,接头中央反应区Ti_(3)Cu_(4)相、Ti Cu相和高Al、V含量的Ti_(2)(Cu,Ni)相消失,而Ti_(2)(Cu,Ni)相宽度大大减小,同时条块状Ti_(2)(Cu,Ni)相开始呈现细小的羽毛状或枝晶状。当温度达到960℃时,接头组织基本一致,接头中元素实现充分均匀化。在此期间,接头室温抗拉强度和剪切强度均逐渐增大,在960℃时达到最大抗拉强度519 MPa和最大剪切强度195 MPa。

316L不锈钢/T2紫铜热等静压扩散连接接头的微观组织与力学性能

采用热等静压(hot isostatic pressing,HIP)工艺对棒材316L不锈钢/T2紫铜进行连接,分析连接界面微观组织和力学性能.结果表明,在塑性变形和扩散反应的连接机制下,异种金属连接接头结合良好,两侧基体元素发生了明显的互扩散,最终形成了3.9μm厚的扩散层,扩散层分为两侧的扩散影响区(diffusion affected zone,DAZ)和中间反应层(reaction layer,RL),扩散层及其附近的T2紫铜侧有树枝状的γ-Fe相、条状α(Cu,Ni)相和不规则块状富Cr相析出.硬度试验结果表明,连接接头硬度要高于较弱T2紫铜母材,接头平均硬度为94 HV0.1,未出现硬度突变的现象,表明接头没有脆性金属间化合物生成,拉伸试验最终在T2紫铜母材断裂,断裂机制为韧性断裂,最大抗拉强度为165 MPa,接头及其附近析出相的弥散分布形成了第二相强化机制,阻碍位错的运动,最终使得连接接头具有较高的硬度和较好的结合强度.

钨合金/不锈钢的低温扩散连接及界面组织性能

通过低温扩散连接方法实现钨合金(90W-7Ni-3Cu)与304不锈钢的高性能连接。采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、电子探针(EPMA)分析连接界面的微观组织及元素扩散与分布行为,采用拉伸试验测试连接界面的力学性能。研究结果表明:在800~950℃、压力20 MPa、保温120 min的条件下,可以实现90W-7Ni-3Cu合金与不锈钢的有效连接;当连接温度为900℃时,连接界面抗拉强度达到最大值168 MPa;连接界面结合紧密,无裂纹等缺陷。钨合金与不锈钢界面原子形成了充分的互扩散,不锈钢中的W、Fe、Cr、Ni和Si元素借助空位以及点缺陷扩散到了钨合金一侧的钨中,形成了富含W、Fe、Cr、Ni和Si元素的扩散层。900℃连接样件的断裂发生在钨合金一侧,可以观察到钨合金基体的六角形晶界并且其表面覆盖有粗糙的黏着物,黏着物为原子扩散所形成的扩散层。不锈钢中的Cr、Fe元素以固溶的方式扩散到了钨合金的(Ni,Cu)相中,提高连接界面强度。

钛合金空心点阵超塑成形/扩散连接成形工艺和性能研究

钛合金空心点阵是典型的承载–功能一体化结构,采用单轴拉伸方法,在不同温度、应变速率条件下测定TA15、TA32钛合金的超塑拉伸延伸率,最大延伸率分别达到1450%和950%,后在不同温度、压力条件下进行扩散连接试验。根据超塑拉伸和扩散连接试验,确定了超塑成形和扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,SPF/DB)的最佳工艺参数为:920℃/1.5~2.0 MPa/2 h,制备了不同构型和几何参数的TA15、TA32钛合金空心点阵结构件。采用平压方法和三点弯曲方法测定了钛合金空心点阵的力学性能,压缩和弯曲强度最大值分别达到23.83 MPa、596MPa,通过有限元和试验分析的方法,研究了几何参数对钛合金空心点阵平压和弯曲性能的影响规律。采用单面加热方法,研究了钛合金空心点阵结构的隔热性能,在400℃/1 h条件下,隔热温差达到276.3~310℃。

钛合金深腔薄壁结构蠕变时效/扩散连接复合工艺与质量评价

为解决深腔薄壁结构制造成本高、周期长和难度大的问题,开展了TC4钛合金深腔薄壁结构蠕变时效/扩散连接复合工艺研究。开发了蠕变时效/扩散连接复合成形工艺和蠕变时效/扩散连接复合成形工艺模具,实现了深腔薄壁结构的精密成形。该模具结构解决了成形过程中的装配、连接和定位等一系列问题。在900℃、10 MPa、60 min的工艺条件下,一步完成了TC4钛合金的蠕变时效以及扩散连接成形。该工艺的材料利用率高达45%,同时能较好地控制深腔薄壁结构的尺寸精度,成形件主要区域精度维持在-0.05~0 mm以内。复合成形后的TC4钛合金抗拉强度仅降低了9.62%,仍具有优异的力学性能。

锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响

本文开展了TC4钛合金棒材扩散连接及锻造工艺实验,研究了锻造变形量对扩散连接界面显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,采用950℃、140 MPa、4 h的扩散连接工艺,TC4钛合金连接界面实现了冶金结合,合金强度达到母材强度的95%以上,延伸率为7%,合金在扩散区发生脆性断裂。扩散连接的TC4钛合金经过高温锻造后,扩散连接界面完全消失,显微组织由等轴α相、次生α相与少量的β相组成;随着锻造变形量的增加,等轴α相的尺寸逐渐降低、次生α相体积分数增大,合金强度呈现升高趋势;当变形量为40%时,等轴α相和次生α相含量达到较优匹配度,抗拉强度达到950 MPa,延伸率达到17.5%,锻造后合金的断裂方式转变为韧性断裂。