瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊TLP

1、河南理工大學(xué)瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊及其在新型耐熱鋼焊接中的應(yīng)用2022年1月28日目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1 焊接1 焊接焊接定義：被焊工件（材質(zhì)同種或異種）通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法。特點(diǎn)：在近代的金屬加工中，焊接比鑄造、鍛壓工藝發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快。焊接結(jié)構(gòu)的重量約占鋼材產(chǎn)量的45%。焊接產(chǎn)品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對于交通運(yùn)輸工具來說可以減輕自重，節(jié)約能量。焊接的密封性好，適于制造各類容器。發(fā)展聯(lián)合加工工藝，使焊接與鍛造、鑄造相

2、結(jié)合，可以制成大型、經(jīng)濟(jì)合理的鑄焊結(jié)構(gòu)和鍛焊結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)效益很高。焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)中一種不可缺少，而且日益重要的加工工藝方法。焊接方法分類熔化焊：將兩個(gè)工件連接處加熱至熔化狀態(tài)，連接處的金屬經(jīng)歷一個(gè)熔合冷卻結(jié)晶的過程，形成焊縫，成為一體。壓力焊：利用焊接時(shí)施加一定壓力而完成焊接的方法，壓力焊又稱壓焊。這類焊接有兩種形式，可加熱后施壓，亦可直接冷壓焊接。釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。1 焊接1 焊接1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1

3、 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1 焊接2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散焊定義：在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互接觸，通過使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過被連接表面產(chǎn)生的微觀液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后結(jié)合層原子間經(jīng)過一定時(shí)間的相互擴(kuò)散，形成整體可靠連接的過程。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）第一階段：第一階段：變形、交界面變形、交界面形成形成 接觸點(diǎn)接觸點(diǎn) 屈服和蠕變屈服和蠕變 塑性變形塑性變形 壓力持續(xù)壓力持續(xù) 接觸面積增接觸面積增 大，晶粒間連接。大，晶粒間連接。第二階段：第二階段：晶界遷移和微孔的收晶界遷移和微孔的收 縮和消除縮和消除第三階段：第

4、三階段：體積擴(kuò)散，微孔消除體積擴(kuò)散，微孔消除 和界面消失和界面消失 2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）固態(tài)擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接加中間層的擴(kuò)散連接不加中間層的擴(kuò)散連接真空擴(kuò)散連接氣體保護(hù)擴(kuò)散連接溶劑保護(hù)擴(kuò)散連接燒結(jié)擴(kuò)散連接瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接超塑性成形擴(kuò)散連接2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）液相擴(kuò)散連接也稱瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接（Transient Liquit Phase），通常采用比母材熔點(diǎn)低的材料作中間夾層，在加熱到連接溫度時(shí)，中間層熔化，在結(jié)合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點(diǎn)組元向母材的擴(kuò)散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經(jīng)一定時(shí)間的保溫而使成分均勻化。 2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）a)形成液相 b)低

5、熔點(diǎn)元素向母材擴(kuò)散 c)等溫凝固 d)等溫凝固結(jié)束 e)成分均勻化 a）b）c）d）e）2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）固態(tài)擴(kuò)散連接與瞬時(shí)液相擴(kuò)散對比2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散連接參數(shù)選擇 擴(kuò)散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時(shí)間、氣氛環(huán)境和試件的表面狀態(tài)，這些因素之間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數(shù)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮。此外，擴(kuò)散連接時(shí)還應(yīng)考慮中間層材料的選用。 2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）連接溫度T越高，擴(kuò)散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形能力愈好，連接表面達(dá)到緊密接觸所需的壓力愈小。但是，加熱溫度受到再結(jié)晶、低熔共晶和金屬間化合物生成等因素的影響。因此，不同材料組合的連接溫度，應(yīng)根據(jù)具體情況，通過實(shí)驗(yàn)來選

6、定。從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，連接溫度大都在0.50.8Tm(母材熔化溫度)范圍內(nèi)，最適合的溫度一般為T0.7Tm。對瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接溫度的選擇，常在可生成液相的最低溫度附近，溫度過高將引起母材的過量溶解。 連接溫度2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）a）單溫工藝b）雙溫工藝2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）雙（多）溫工藝優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)瞬時(shí)液相連接過程能夠有效的進(jìn)行焊接，但是由于焊接溫度較高，容易出現(xiàn)焊接裂紋等缺陷。因此，陳思杰教授在TLP擴(kuò)散連接接頭形成理論方面提出了“瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接雙溫工藝?yán)碚摗?，TLP連接雙溫工藝模型把傳統(tǒng)TLP連接過程分成兩個(gè)不同的溫度區(qū)間，首先，前加熱階段完成非晶箔中間層的熔化和界面增寬；其次

7、，后等溫加熱階段完成液態(tài)中間層的凝固以及均勻化等過程。一般來說，短時(shí)高溫加熱連接可以讓中間層熔化擴(kuò)散更加充分，中間層原子和母材基體的潤濕鋪展作用更加顯著；由于雙溫工藝等溫凝固連接溫度低于傳統(tǒng)TLP連接溫度（低2050左右），從而在一定程度上降低接頭過渡區(qū)基體的過熱傾向，這對于提高連接接頭力學(xué)性能有很大的幫助。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散連接時(shí)間t（也稱保溫時(shí)間）主要決定原子擴(kuò)散和界面反應(yīng)的程度，同時(shí)也對所連接金屬的蠕變產(chǎn)生影響。連接時(shí)間不同，所形成的界面產(chǎn)物和界面結(jié)構(gòu)不同。擴(kuò)散連接時(shí)，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時(shí)間就將以平方的速度增長。實(shí)際擴(kuò)散連接工藝中保溫時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)，甚

8、至達(dá)到幾十小時(shí)。但從提高生產(chǎn)率考慮，保溫時(shí)間越短越好?？s短保溫時(shí)間，必須相應(yīng)提高溫度與壓力。接頭強(qiáng)度一般是隨時(shí)間的增加而上升，而后逐漸趨于穩(wěn)定。接頭的塑性，延伸率和沖擊韌性與保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間的關(guān)系也與此相似。 保溫時(shí)間2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散連接時(shí)的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變形及達(dá)到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加速擴(kuò)散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴(kuò)散孔洞的產(chǎn)生。壓力愈大，溫度愈高，緊密接觸的面積也愈多。但不管壓力多大，在擴(kuò)散連接的初期不可能使連接表面達(dá)到100%的緊密接觸狀態(tài)，總有一小部分演變成界面孔洞。目前，擴(kuò)散連接規(guī)范中應(yīng)用的壓力范圍很寬，最小只有0.04MPa(瞬時(shí)液相擴(kuò)散連

9、接)，最大可達(dá)350MPa（熱等靜壓擴(kuò)散連接），而一般壓力約為1030MPa。與連接溫度和時(shí)間的影響一樣，壓力也存在最佳值，在其他規(guī)范參數(shù)不變的條件下，最佳壓力時(shí)接頭可以獲得最佳強(qiáng)度。連接壓力2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散連接一般在真空、惰性氣體（Ar、N2）或大氣氣氛環(huán)境下進(jìn)行，一般來說，真空擴(kuò)散連接的接頭強(qiáng)度高于在惰性氣體和空氣中連接的接頭強(qiáng)度。真空中的材料在溫度升高時(shí)，氣體會(huì)從零件和真空室內(nèi)壁中析出，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空室內(nèi)的真空度在常用的規(guī)范范圍內(nèi)（1.331.3310-3Pa），就足以保證連接表面達(dá)到一定的清潔度，從而確保實(shí)現(xiàn)可靠連接。 保護(hù)氣氛2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）幾乎

10、所有的焊接件都需要由機(jī)械加工制成，不同的機(jī)械加工方法，獲得的粗糙等級不同。待連接零件在擴(kuò)散連接前的加工和存放過程中，被連接表面不可避免地形成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。在連接前需經(jīng)過脫脂、去除氧化物及氣體處理等工藝過程。 表面狀態(tài)2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）中間層材料其焊接溫度低于母材的熔點(diǎn)（焊接溫度為母材的0.6-0.8倍），進(jìn)而縮小熱影響區(qū)帶來的不利影響。選擇中間層準(zhǔn)則：一是中間層應(yīng)具有較好的塑性變形能力；二是中間層合金成分中應(yīng)包含加速擴(kuò)散的有益元素，同時(shí)需要添加一些降熔元素，從而加速原子在母材中的溶解和擴(kuò)散，以保證中間層合金的熔點(diǎn)低于所要焊接的母材；三是中間層合金與被焊接母材之間不能發(fā)生

11、不好的化學(xué)反應(yīng)，例如產(chǎn)生脆性相或者一些低熔點(diǎn)共晶相；中間層選擇2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別TLP焊接與釬焊操作步驟相似 ,如均需在待連接母材表面間放入熔點(diǎn)低于母材的第三種材料，但是在 TLP中常叫中間層 Interlayer ;在釬焊中常叫釬料 Filler metal;然后加熱、保溫。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別中間層作為TLP 的中間層,應(yīng)具備以下條件: (1) 熔點(diǎn)低于母材; (2) 與母材間的潤濕性好; (3) 不形成有害的金屬間化合物; (4) 完成等溫凝固快; (5) 成分均勻

12、化快。顯然對中間層的要求比對釬料要求高。為此,從成分角度考慮,主組元應(yīng)盡量與母材相同;合金元素中首應(yīng)含有MPD 元素;并要求MPD 元素應(yīng)具有以下功能:在母材中擴(kuò)散迅速、在母材中的溶解度較大 (利于向母材擴(kuò)散) 、含量適中以兼顧熔點(diǎn)的降低與均勻化的難易、使母材表面“液化”顯著、有一定“自釬劑”作用、不形成穩(wěn)定的有害相、間層溶化后( Melting point depressant elements , 簡稱MPD元素)應(yīng)以自由態(tài)存在,利于其迅速擴(kuò)散入母材。另外應(yīng)含有可使焊縫區(qū)滿足特殊性能要求(如抗高溫氧化性能、抗腐蝕性能、抗低溫脆斷性能等) 的合金元素。從開發(fā)制備成型角度考慮,非晶箔帶具有能提

13、高溶質(zhì)(MPD 元素)的極限溶解度、薄且成分均勻、熔化區(qū)間窄、無需粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn),有取代以粉末、電鍍、噴涂等方式預(yù)置中間層的趨勢。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別母材與中間層/ 釬料的相互作用無論釬焊或TLP 接合都要求中間層或釬料熔化后能與母材發(fā)生良好的潤濕。在釬焊中,潤濕是鋪展、填縫的前提,潤濕性不好,即使是預(yù)置的中間層也會(huì)從界面間流出而球聚于焊縫之外; TLP 接合中亦然。但釬焊的側(cè)重點(diǎn)在于“潤濕”,而TLP 接合中的側(cè)重點(diǎn)在于“MPD 元素向母材中的擴(kuò)散”。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別凝固機(jī)制釬焊接頭是在連續(xù)冷卻過程中結(jié)晶的,屬非平衡條件下的結(jié)晶。

14、TLP 接合中,液態(tài)中間層是在等溫條件下進(jìn)行凝固的,屬平衡條件下的結(jié)晶。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）擴(kuò)散焊和釬焊的區(qū)別與釬焊相比TLP 焊接具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) TLP 接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分,并在一定情況下最終的顯微組織中分辨不出填充金屬; (2) TLP 接頭比一般硬釬焊接頭的強(qiáng)度高; (3) TLP 接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而耐高溫性能好; (4) TLP 焊接容許母材表面存在一定的氧化膜有一定的“自清凈”能力。TLP 焊接工藝的上述優(yōu)點(diǎn)決定了它可用于一般釬焊難以勝任的場合:對力學(xué)性能要求高(不低于母材) ;服役溫度高的耐熱合金的焊接;接頭形式只許采用

15、對接形式(釬焊采用搭接) ;特別是在先進(jìn)材料的連接 (如單晶材料、先進(jìn)陶瓷、金屬基復(fù)合材料) 等場合,其應(yīng)用前景更為廣闊。但TLP 焊接也存在對中間層要求嚴(yán)、端面粗糙度要求嚴(yán)、焊接時(shí)間長等美中不足。2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例2 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）1 焊接3 TLP焊接新型耐熱鋼實(shí)例高溫高壓發(fā)電廠（9.9MPa，540度）超高壓發(fā)電廠（13.83MPa，540度）亞臨界壓力發(fā)電廠（16.77MPa，540度）超臨界壓力發(fā)電廠（22.11MPa，550度）超超臨界壓力發(fā)電廠（31MPa，600度