lp接地系統(tǒng)的擴散與釬焊

lp接地系統(tǒng)的擴散與釬焊

0transi治理型焊接tlp此時，d.s.duval等人總結(jié)了該應(yīng)用，并通過相圖解釋了金屬學(xué)原理。國內(nèi)許多文獻也稱其為過渡液相擴散焊或擴散釬焊,此外其英文名稱還有Transientliquidphasediffusionbonding,Transientliquidphasebrazing;Diffusionbrazing;TLPbrazing等多種名稱。在日本被譯為液相擴散接合、過渡液相擴散接合、遷移液相擴散接合,其中液相擴散接合一詞較為多用。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(在TLP中常叫中間層-Interlayer;在釬焊中常叫釬料-Fillermetal);然后加熱、保溫。簡單地將兩者的區(qū)別歸為擴散的充分程度不同;凝固的方式不同;最終所得接頭的成分、組織的不連續(xù)程度不同這三點,尚欠細致全面與深入。文中試圖對這兩種焊接工藝的各種細微差別從優(yōu)缺點、應(yīng)用、過程、機理等方面進行較為全面的總結(jié)與對比分析。1tlp接頭的特性與釬焊相比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(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(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)、焊接時間長等美中不足。2增寬的過程液體熱一般常將TLP進程分為三段:液相生成(利用中間層的熔化或中間層與母材的共晶反應(yīng));等溫凝固;成分及組織的均勻化。Tuah-Poku等人將TLP分為四步:中間層的溶解;液態(tài)區(qū)的均勻化及增寬;等溫凝固;均勻化。Y.Zhou等人將TLP接合進程做了更為細致的劃分,指出液態(tài)的增寬可進一步細分為加熱過程中的增寬(自中間層熔化溫度Tm到焊接溫度TB期間)和等溫階段(TB)的增寬;并指出當(dāng)Tm到TB期間溫升很慢時,有可能在溫度到達TB前即開始了凝固過程。顯然,這里所說的液態(tài)區(qū)增寬是由于已熔化的中間層中的降低熔點的元素(Meltingpointdepressantelements,簡稱MPD元素),擴散入母材并達到某一共晶濃度后,引起母材表層區(qū)熔點降低的結(jié)果。這種情況下,母材的溶解是間接性的溶解,(為區(qū)別于一般意義上的溶解,作者稱其為“液化”)。值得指出的是,明確地提出將中間層處于液態(tài)的過程細分為液態(tài)區(qū)增寬與等溫凝固兩個不同階段,對于正確理解TLP焊接過程的機制、選中間層及確定規(guī)范具有很大的幫助與啟示價值,如確定規(guī)范時,不能片面地只注意到等溫凝固的時間,而應(yīng)綜合考慮使液態(tài)區(qū)增寬與等溫凝固合起來的總時間較短為好。3中層和精煉層之間的差異3.1潤濕性罪犯屬在釬焊中,潤濕性是保證接頭獲得一定強度的首要前提與主要手段,因此首先應(yīng)基于潤濕性來設(shè)計或選擇釬料的成分。依相圖若釬料能與母材相互溶解或形成化合物,則液態(tài)釬料能較好地潤濕母材,故釬料成分的選擇范圍較寬一些。3.2主組元的確定作為TLP的中間層,應(yīng)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;合金元素中首先應(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、中間層溶化后MPD元素應(yīng)以自由態(tài)存在,以利于其迅速擴散入母材。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,有取代以粉末、電鍍、噴涂等方式預(yù)置中間層的趨勢。4焊接的其他過程無論釬焊或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)重點在于“潤濕”,而TLP接合中的側(cè)重點在于“MPD元素向母材中的擴散”。釬焊中母材與釬料的作用同時兼有母材向釬料中的溶解和釬料向母材中擴散的雙向傳質(zhì)現(xiàn)象。文獻指出,TLP接合過程中,母材的溶入不起主要作用,這是因為在恒溫條件下,母材的溶解是有限度的。無疑TLP接合中傳質(zhì)過程最大的特點在于“MPD元素向母材中的擴散”,且擴散須是快速的、明顯的、持續(xù)的擴散。MPD元素擴散較快的原因一方面在于中間層在焊接溫度下處于液態(tài);另一方面作為MPD元素一般人為有意識地選用小原子半徑的元素。MPD元素向母材中的擴散貫穿整個焊接全過程,正是MPD元素的持續(xù)擴散才使得液相區(qū)先增寬,至最大寬度后開始出現(xiàn)等溫凝固轉(zhuǎn)而縮窄,直至等溫凝固完成,并最終在固相狀態(tài)下實現(xiàn)均勻化?？梢哉f,TLP焊接的命脈就在于MPD元素的濃度是否可通過擴散入母材而降至足夠低。它們的共同特征是母材的溶解有一定的特殊性,即液態(tài)金屬體積小,固態(tài)金屬的溶解或“液化”對液態(tài)金屬內(nèi)部的濃度影響很大。5tlp接口作用釬焊中氧化膜靠與釬劑的系列反應(yīng),生成低熔點可溶性的鹽或低熔點復(fù)合化合物溶于釬劑之中,并被液態(tài)釬料隨液態(tài)釬劑一起排出而實現(xiàn)去膜的。TLP接合過程中不放釬劑(可避免釬劑夾雜及清洗腐蝕性釬劑),在真空或保護氣氛下進行。TLP容許母材表面有一定氧化物存在,這也是TLP具有生命力的原因之一。在此將其破碎機理隨焊接進程的進行可歸納為以下幾種機制。5.1高溫真空焊接法分離氧化膜在此階段的氧化膜分散與破碎機制應(yīng)同于一般固態(tài)擴散焊。(1)焊接初期表面局部凸起處因壓強大被壓潰,材料的塑性流變可引起氧化膜的破碎。但這種機械破碎僅出現(xiàn)于微觀凸起部位,且TLP接合所施加的壓力遠小于固態(tài)擴散焊時的壓力,故它的貢獻量并不會很大,即從微觀角度看,經(jīng)初期加壓實現(xiàn)緊密接觸的面積占總面積的比例極小。(2)氧化物與金屬基體的線膨脹系數(shù)不同引起的氧化膜龜裂;并為液態(tài)釬料滲過這些裂縫并沿氧化膜-合金界面流動而抬起并去除氧化膜創(chuàng)造了條件。(3)氧化物在金屬中的溶解:對于對氧有較大溶解度的母材,如鈦及其合金等材料,在真空與高溫環(huán)境下,因基體對氧的溶解度大氧化物將不穩(wěn)定而分解,氧原子較快地擴散入母材,氧化膜在擴散的初期就消失,氧化膜的影響并不大。這種氧化物溶解是通過間隙原子(氧)向金屬中擴散而發(fā)生的,厚度為x的薄膜的溶解時間與x2/D成正比(D為擴散系數(shù))。(4)氧化膜的球化與聚結(jié):高溫下相對穩(wěn)定的氧化物發(fā)生球化或聚結(jié),留滯于空洞表面或已相互接觸的界面處;同時伴隨著氧化膜聚集的進行氧原子也向母材中擴散,借助于氧的擴散使夾雜物減少。氧化膜薄時最終殘留夾雜物少;焊接時間長時擴散較多夾雜物亦減少。球化是借薄膜過多的表面能造成的擴散實現(xiàn)的,氧化膜很薄時,球化進行得較快。如鐵、銅、304不銹鋼類材料屬此種情況。嚴(yán)格限制氧化膜的厚度是控制夾雜的關(guān)鍵之一。(5)高溫真空條件下母材中C、Si、Mn等微量元素的還原反應(yīng)消除氧化膜。文獻在研究1Cr18Ni9Nb的高溫真空釬焊去膜機理時指出,母材表面上氧化膜開裂的原因是氧化膜被C所還原(需900℃以上);1000℃以上氧化物才可能揮發(fā)排除;而Cr2O3和Fe3O4分解為Cr和Fe是即便是在真空下也是很難實現(xiàn)的。碳素鋼上氧化膜的消失是靠C與Si的還原反應(yīng)。5.2產(chǎn)生氧化破乳機理這一方面的報道極為鮮見,僅中尾嘉邦等人通過其試驗觀察指出:中間層熔化后,隨著MPD元素向母材中的擴散,母材表層被液化,液相區(qū)增寬,使氧化膜從母材基體上剝離下來,呈片狀平直地漂浮于液態(tài)之中;隨后呈平直狀漂浮于液態(tài)之中的氧化膜在液態(tài)之中局部發(fā)生彎曲;當(dāng)某處的氧化膜彎曲至一定程度時即在該處出現(xiàn)氧化膜破裂,隨時間的延長破裂處越來越多,這樣使氧化膜呈斷續(xù)狀分布,避免了氧化膜成片狀連續(xù)分布,通過多處且繼發(fā)的破裂最終實現(xiàn)了氧化膜的破碎。中國學(xué)者在研究鋁的接觸反應(yīng)釬焊時也觀察到類似的現(xiàn)象,即在鋁的氧化膜下出現(xiàn)的由鋁與中間層材料形成的液態(tài)共晶“潛流”,促使氧化膜的破碎和分散。確保夾雜物在分布密度方面盡量稀疏、在形態(tài)方面避免連續(xù)并呈片狀、在大小方面小至足夠尺度是成敗關(guān)鍵之一。另外,采用感應(yīng)加熱時電磁攪拌也會有利于氧化膜的破碎,但尚無人對此進行專題研究。可見,氧化膜的去除方式首先取決于母材本身特性,如對氧的溶解度,合金元素的還原能力等;其次取決于氧化物的特性,如熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、硬脆程度等;再次與焊接條件及焊接規(guī)范有關(guān),如真空度、溫度、壓力、攪拌等。6材料表面準(zhǔn)備6.1焊接接頭強度文獻指出當(dāng)釬料與母材的相互作用較弱時,釬料在拋光表面的鋪展面積小于在鋼刷刷過表面的鋪展面積;當(dāng)釬料與母材的相互作用較強時,因表面細槽被液態(tài)釬料迅速溶解而不復(fù)存在,表面細槽的特殊的毛細管作用不能表現(xiàn)出來。川勝一郎對SS-41鋼的對接釬焊接頭強度研究指出,表面粗糙度的影響比使接合間隙在0.05～0.5mm范圍變化的影響還要大;表面粗糙度存在一最優(yōu)值,過粗過細都會因影響釬料的鋪展填縫。6.2tlp母材殘留原因分析在TLP焊接中粗糙度有一臨界值。TLP焊接中所采用的中間層,常以預(yù)置的方式加入,雖可避免液態(tài)中間層的宏觀鋪展、填縫過程(仍存在微觀鋪展、填縫現(xiàn)象),但粗糙度一旦超過臨界值,致命的原因在于MPD元素總含量及擴散進入母材的距離變大,導(dǎo)致有脆性相殘留。全面分析其原因可認(rèn)為粗糙度增加帶來以下弊端:(1)間隙難以被液態(tài)金屬填充滿而影響了界面間的緊密接觸;(2)使滯留于母材表面凹坑中的液態(tài)金屬厚度增加,導(dǎo)致要使這些凹坑中的液態(tài)金屬完全等溫凝固所需的時間大大增加(等溫凝固所需時間正比于液態(tài)金屬厚度的平方);(3)因待焊母材表面積的增加而使表面氧化膜的總量隨之增加。在更高溫度或更大壓力時,獲得特別清潔的表面就變得不那么重要了。原子活性、表面凹凸點變形以及對于雜質(zhì)元素溶解度的增加,都有助于使表面污染層分散。順便指出TLP在端面準(zhǔn)備方面比一般固態(tài)擴散焊要求低的原因有兩方面:液態(tài)中間層能潤濕并進一步填滿界面凹凸不平處;另在一定程度內(nèi)還容許表面有氧化物存在。7tlp焊接中壓的特殊作用普通釬焊過程一般不加壓。TLP連接過程中須施加壓力,對壓力的作用可歸納為以下幾個方面。7.1控制壓力的高度擴散的時間取決于所要求的均勻程度、中間層的原始厚度和焊接溫度。當(dāng)液態(tài)中間層寬度較小且中間層中MPD的相對含量也較小時,需擴散進入母材的MPD的量及其擴散過程中所經(jīng)歷的路徑長短都變小,等溫凝固所需的時間便可縮短。因此,在保證中間層能與母材發(fā)生充分作用的前提下,應(yīng)盡可能保持最小的間隙。為此經(jīng)常施加適當(dāng)?shù)膲毫?。?dāng)未擴散入母材的MPD元素在釬縫中形成脆性相時,加壓有利于擠出殘留的脆性相。7.2加壓浸漬工藝釬料鋪展面積增大實質(zhì)上是釬料的表面積增大,表面能增加的宏觀結(jié)果,可認(rèn)為是壓力所做的機械功轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的表面能的增加量,從而改善了液態(tài)的潤濕性。在中間層潤濕性較差與溫度不允許過高情況下,壓力改善潤濕性、加快鋪展速度及促進緊密接觸、排除多余液膜的作用將更為必要和突出。如在復(fù)合材料制備中的“加壓浸漬工藝”便是利用提高液相壓力來改善潤濕性的;在陶瓷TLP連接中加壓可迅速使有限的液相均布鋪展,同時減少界面孔洞數(shù)量與孔洞體積。7.3tlp封裝中的機械破碎在升溫階段,加壓可使局部表面凸起部位被壓平,等效于改善了表面粗糙度;同時發(fā)生塑性流動的部位氧化膜得以機械破碎;并得以使這些部位基體的缺陷密度增加,有利于促進擴散。在陶瓷的TLP擴散連接過程中,加壓更成為必不可少的一項工藝措施,加壓擠出的液相可封閉空氣向焊接面內(nèi)部的侵入,并可使破碎的氧化膜隨液相被擠出界面。在加入中間層的量一定的情況下;加壓還可以消除等溫凝固末期的縮松與孔隙。7.4tlp接合壓力在固態(tài)擴散焊中,增加壓力可降低溫度的影響;并加大蠕變速度與蠕變量,從而可以縮短實現(xiàn)緊密接觸所需時間,故在不出現(xiàn)明顯宏觀塑性變形的前提下增加壓力可提高接頭性能。但在TLP接合中,壓力過小,其應(yīng)有的作用不能發(fā)揮出來。壓力過大一方面會迫使低熔點組分在達到釬焊溫度之前就從接頭中擠出去,使熔融中間層的粘度增大,難以填滿界面間的間隙;另一方面剩余的液態(tài)中間層過少,不足以與母材產(chǎn)生一定程度的相互作用(潤濕、填坑、溶解、擴散),導(dǎo)致接頭性能變差。可見與固態(tài)擴散焊不同,TLP接合中,壓力存在一最佳范圍,其值由焊接時間、溫度、表面粗糙度、中間層的擴散性能等因素綜合決定?？傊畬?dǎo)入合適的壓力對破碎氧化膜、提高接頭的致密性、擠出脆性相、縮短焊接時間是有益的。8mpd的擴散過程釬焊接頭是在連續(xù)冷卻過程中結(jié)晶的,屬非平衡條件下的結(jié)晶。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(jié)晶。對TLP焊接而言溫度只是一表象,實際上任一位置處凝固的開始時刻及結(jié)束時刻都由該處液態(tài)中間層中的MPD的瞬時濃度決定的,當(dāng)MPD的瞬時濃度隨其擴散的減小而進入液-固兩相區(qū)時等溫凝固即開始。當(dāng)最深的凹槽中的中心部位處的MPD的濃度減小進入固相區(qū)時,全部等溫凝固過程結(jié)束。提前降溫都會導(dǎo)致凹槽處或裝配間隙較大處有液態(tài)釬料殘留,成為釬焊接頭(多含脆性相)。故粗糙的表面和不均勻的裝配間隙都是不允許的。9tlp焊接區(qū)的劃分釬焊接頭常由三個區(qū)域組成:界面區(qū)、擴散區(qū)、釬縫中心區(qū),其中釬縫中心區(qū)的成分接近釬料。對TLP接頭,若中間層主組元與母材主組元不同或主組元相同而含量差異較大時,當(dāng)?shù)葴啬桃淹瓿啥鶆蚧形闯浞诌M行時,接頭組織由界面區(qū)、擴散區(qū)組成(釬縫中心區(qū)消失),此時某些易擴散的MPD元素的濃度應(yīng)優(yōu)先于母材組元達到均勻化,這為判別接頭是由兩種焊接方法之中哪一種獲得的提供了一條較易操作的區(qū)分途徑。對于經(jīng)典的TLP當(dāng)?shù)葴啬桃淹瓿汕揖鶆蚧M行得很充分時,接頭由與母材相近的組織組成。應(yīng)當(dāng)指出,TLP焊接區(qū)成分與組織的均勻化是十分緩慢的。分析其原因有兩方面的因素:其一是在均勻化階段,中間層已全部變?yōu)楣虘B(tài)使原子的擴散速度本身要降低;其二此時MPD元素的濃度梯度變小。成分與組織的均勻程度可視需要而終止,此時盡管MPD元素的分布存在一濃度梯度,但其最大濃度若低于允許值而使接頭成為無脆性相的固溶體也是可行的,并非定要強求與母材一致。成分的均勻是前提;組織均勻是成分均勻的結(jié)果。10tlp及mpd元素在不同組元表面的作用后呈脆性相無論TLP焊接還是釬焊,填充材料的成分本身是接頭中形成脆性相的內(nèi)因(如釬料中本身含有脆性相或釬料中某些組元與母材作用后形成脆性相),焊接規(guī)范(如間隙、時間、溫度)是外因。TLP因其凝固過程為平衡狀態(tài)下的等溫凝固,MPD元素經(jīng)擴散入