瞬時液相擴散焊TLP

1、河南理工大學瞬時液相擴散焊及其在新型耐熱鋼焊接中的應用2022年1月28日目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1 焊接1 焊接焊接定義：被焊工件（材質同種或異種）通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達到原子間結合的一種加工方法。特點：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。焊接結構的重量約占鋼材產(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、結合，可以制成大型、經(jīng)濟合理的鑄焊結構和鍛焊結構，經(jīng)濟效益很高。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：將兩個工件連接處加熱至熔化狀態(tài)，連接處的金屬經(jīng)歷一個熔合冷卻結晶的過程，形成焊縫，成為一體。壓力焊：利用焊接時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：采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，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散實現(xiàn)連接焊件的方法。1 焊接1 焊接1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1

3、 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1 焊接2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散焊定義：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)生的微觀液相而擴大被連接表面的物理接觸，然后結合層原子間經(jīng)過一定時間的相互擴散，形成整體可靠連接的過程。2 瞬時液相擴散焊（TLP）第一階段：第一階段：變形、交界面變形、交界面形成形成 接觸點接觸點 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：體積擴散，微孔消除體積擴散，微孔消除 和界面消失和界面消失 2 瞬時液相擴散焊（TLP）固態(tài)擴散連接擴散連接加中間層的擴散連接不加中間層的擴散連接真空擴散連接氣體保護擴散連接溶劑保護擴散連接燒結擴散連接瞬時液相擴散連接超塑性成形擴散連接2 瞬時液相擴散焊（TLP）液相擴散連接也稱瞬時液相擴散連接（Transient Liquit Phase），通常采用比母材熔點低的材料作中間夾層，在加熱到連接溫度時，中間層熔化，在結合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經(jīng)一定時間的保溫而使成分均勻化。 2 瞬時液相擴散焊（TLP）a)形成液相 b)低

5、熔點元素向母材擴散 c)等溫凝固 d)等溫凝固結束 e)成分均勻化 a）b）c）d）e）2 瞬時液相擴散焊（TLP）固態(tài)擴散連接與瞬時液相擴散對比2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散連接參數(shù)選擇 擴散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時間、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)時應統(tǒng)籌考慮。此外，擴散連接時還應考慮中間層材料的選用。 2 瞬時液相擴散焊（TLP）連接溫度T越高，擴散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形能力愈好，連接表面達到緊密接觸所需的壓力愈小。但是，加熱溫度受到再結晶、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，應根據(jù)具體情況，通過實驗來選

6、定。從大量實驗結果看，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。對瞬時液相擴散連接溫度的選擇，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 瞬時液相擴散焊（TLP）a）單溫工藝b）雙溫工藝2 瞬時液相擴散焊（TLP）雙（多）溫工藝優(yōu)點傳統(tǒng)瞬時液相連接過程能夠有效的進行焊接，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擴散連接接頭形成理論方面提出了“瞬時液相擴散連接雙溫工藝理論”，TLP連接雙溫工藝模型把傳統(tǒng)TLP連接過程分成兩個不同的溫度區(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，短時高溫加熱連接可以讓中間層熔化擴散更加充分，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性能有很大的幫助。2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散連接時間t（也稱保溫時間）主要決定原子擴散和界面反應的程度，同時也對所連接金屬的蠕變產(chǎn)生影響。連接時間不同，所形成的界面產(chǎn)物和界面結構不同。擴散連接時，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增長。實際擴散連接工藝中保溫時間從幾分鐘到幾小時，甚

8、至達到幾十小時。但從提高生產(chǎn)率考慮，保溫時間越短越好?？s短保溫時間，必須相應提高溫度與壓力。接頭強度一般是隨時間的增加而上升，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擴散時間的關系也與此相似。 保溫時間2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散連接時的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變形及達到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加速擴散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴散孔洞的產(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，在擴散連接的初期不可能使連接表面達到100%的緊密接觸狀態(tài)，總有一小部分演變成界面孔洞。目前，擴散連接規(guī)范中應用的壓力范圍很寬，最小只有0.04MPa(瞬時液相擴散連

9、接)，最大可達350MPa（熱等靜壓擴散連接），而一般壓力約為1030MPa。與連接溫度和時間的影響一樣，壓力也存在最佳值，在其他規(guī)范參數(shù)不變的條件下，最佳壓力時接頭可以獲得最佳強度。連接壓力2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散連接一般在真空、惰性氣體（Ar、N2）或大氣氣氛環(huán)境下進行，一般來說，真空擴散連接的接頭強度高于在惰性氣體和空氣中連接的接頭強度。真空中的材料在溫度升高時，氣體會從零件和真空室內(nèi)壁中析出，計算和實驗結果表明，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到一定的清潔度，從而確保實現(xiàn)可靠連接。 保護氣氛2 瞬時液相擴散焊（TLP）幾乎

10、所有的焊接件都需要由機械加工制成，不同的機械加工方法，獲得的粗糙等級不同。待連接零件在擴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 瞬時液相擴散焊（TLP）中間層材料其焊接溫度低于母材的熔點（焊接溫度為母材的0.6-0.8倍），進而縮小熱影響區(qū)帶來的不利影響。選擇中間層準則：一是中間層應具有較好的塑性變形能力；二是中間層合金成分中應包含加速擴散的有益元素，同時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散，以保證中間層合金的熔點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、不好的化學反應，例如產(chǎn)生脆性相或者一些低熔點共晶相；中間層選擇2 瞬時液相擴散焊（TLP）瞬時液相擴散焊和釬焊的區(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 瞬時液相擴散焊（TLP）瞬時液相擴散焊和釬焊的區(qū)別2 瞬時液相擴散焊（TLP）瞬時液相擴散焊和釬焊的區(qū)別中間層作為TLP 的中間層,應具備以下條件: (1) 熔點低于母材; (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,主組元應盡量與母材相同;合金元素中首應含有MPD 元素;并要求MPD 元素應具有以下功能:在母材中擴散迅速、在母材中的溶解度較大 (利于向母材擴散) 、含量適中以兼顧熔點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)應以自由態(tài)存在,利于其迅速擴散入母材。另外應含有可使焊縫區(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(MPD 元素)的極限溶解度、薄且成分均勻、熔化區(qū)間窄、無需粘結劑的優(yōu)點,有取代以粉末、電鍍、噴涂等方式預置中間層的趨勢。2 瞬時液相擴散焊（TLP）瞬時液相擴散焊和釬焊的區(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,即使是預置的中間層也會從界面間流出而球聚于焊縫之外; TLP 接合中亦然。但釬焊的側重點在于“潤濕”,而TLP 接合中的側重點在于“MPD 元素向母材中的擴散”。2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散焊和釬焊的區(qū)別凝固機制釬焊接頭是在連續(xù)冷卻過程中結晶的,屬非平衡條件下的結晶。

14、TLP 接合中,液態(tài)中間層是在等溫條件下進行凝固的,屬平衡條件下的結晶。2 瞬時液相擴散焊（TLP）擴散焊和釬焊的區(qū)別與釬焊相比TLP 焊接具有如下優(yōu)點: (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)點決定了它可用于一般釬焊難以勝任的場合:對力學性能要求高(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) ;特別是在先進材料的連接 (如單晶材料、先進陶瓷、金屬基復合材料) 等場合,其應用前景更為廣闊。但TLP 焊接也存在對中間層要求嚴、端面粗糙度要求嚴、焊接時間長等美中不足。2 瞬時液相擴散焊（TLP）目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1 焊接目錄3 TLP焊接新型耐熱鋼實例2 瞬時液相擴散焊（TLP）1 焊接3 TLP焊接新型耐熱鋼實例高溫高壓發(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