扩散焊课程设计.docx
《扩散焊课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扩散焊课程设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
扩散焊课程设计
扩散焊课程设计（总16页）
一课程设计任务书
二设计正文
（一）课程设计概述
1.课程设计相关材料
1．1关于Ti-6AL-4V和不锈钢410
1.2钛合金与不锈钢连接的现实意义
1.3钛及钛合金／钢的焊接性分析
2．本课程设计的目的及意义
（二）课程设计内容
1.扩散连接的基本概念及特征
1.1扩散连接的基本概念
1.2扩散焊的工艺特点
1.3扩散焊的工艺参数
2扩散焊的扩散机理
3扩散连接相关公式及推导
3.1菲克第一和第二定律
3.2扩散系数D的公式
3.3计算原理及作图过程
扩散系数D的计算过程
作图过程
三结果分析
四参考文献
二设计正文
（一）课程设计概述
1.课程设计相关材料
关于Ti-6AL-4V和不锈钢410
Ti-6Al-4V是钛合金牌号TC4的名义化学成分表示方法。
参考标准：
《GB/T钛及钛合金牌号和化学成分》。
主要成分：
Al：
%%，V：
%%，余量为Ti。
410不锈钢是按照美国ASTM标准生产出的不锈钢牌号，相当于我国21Cr13不锈钢材,S41000（美国AISI，ASTM）。
含炭%,含铬%,410不锈钢:
具有良好的耐蚀性、机械加工性，一般用途刃类，阀门类。
410不锈钢热处理：
固溶处理（℃）800-9000缓冷750快冷。
410不锈钢化学成份：
C≤,Si≤,Mn≤,P≤,S≤,Cr=~
钛合金与不锈钢连接的现实意义
钛是20世纪50年代发展起来的一种重耍金属，具有比强度高、密度低、耐高温、韧性好、导热性能好和抗疲劳性好等优点，尤其是具有良好的耐腐蚀性能，能在大多数酸、碱、盐及海水中不腐蚀；钛合金可在600cC以上的温度下工作，在同样的工作温度范围内，与钢、镍合金、铝合会相比，钛合金的比强度要高很多。
钛不仅成功地取代了易到严重腐蚀的不锈钢、铜合金以及镍基合金等材料，而且已成为实现某些新工艺流程和新技术的关键部分但其价格昂贵，从而影响了钛及其合金在我国国防工业中的推广应用[1]。
而不锈钢是最常用的结构材料，具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等，且成本相对较低。
然而钢铁的耐蚀性能远不如钛合金，且钢的比重较大[2]。
钛合金与不锈钢的复合构件,具有良好的力学性能和耐蚀性,在航空航天、石油化工、医疗器械等领域都有很广泛的应用前景[3]。
因此，在某些情况下需要将钢与钛连接起来使用，以充分发挥各自的长处。
研究钛及钛合金与不锈钢的焊接，具有独特的优势和良好的经济效益因此，开展这方面的研究，无论是从经济角度，还是从使用性能角度都是非常必要的，具有广阔的应用前景和深远的意义。
钛及钛合金／钢的焊接性分析
（1）钛合金与不锈钢的物理和化学性能差异显著，连接时易在接头处形成脆性相和较大的内应力，导致接头极易开裂。
钛及钛合金与钢在密度、比热、线膨胀系数、导热系数等物理性能和力学性能均有较大差异即使在固态连接方法下，由于线膨胀系数差别较大，也会在焊接接头中引起较大焊接的残余应力，降低接头性能。
（2）钛的化学活性强，随着温度的增高，其化学活性也迅速增加，钛具有较强的吸收气体的特性，在高温对氧、氮、氢有较高的化学亲和力，易形成脆性化合物，使强度显著提高，而塑性和韧性急剧下降，显著地增加脆性断裂倾向及裂纹形成。
钛还易与许多其它金属形成金属间化合物，钛与铁易形成金属间化合物TiFe和TiF2b1[4]。
（3）钛及钛合金与钢的物理性能以及结晶化学性能均相差较大，焊接时易在焊缝中形成多种脆性金属间化合物及碳化物，因此焊缝很脆，加上钛／钢接头因热膨胀系数相差较大而存在较大的内应力，导致接头极易开裂。
即使在固态下焊接，由于母材组元的相互扩散和迁移，也会在结合面附近形成一个金属间化合物和碳化物的薄层，从而导致接头脆断。
因此，必须选择合适的焊接方法来进行钛及钛合金与不锈钢的连接。
目扩散连接技术不仅能实现同种材料的牢固连接，
对异种材料的连接也是比较理想的，特别是对性能差别大、不互溶、相互间易产生脆性金属间化合物的异种材料，扩散连接与其它方法相比较优点更为突出，该技术在俄、日、美等工业发达的国家得到了深入研究，在航天、航空以及军事、原子能方面得到了广泛应用，而我国过去在这一方面的研究工作不够深入，近几年有了一定的发展。
由于钛与铁、碳易形成脆性相，故钛及钛合金与钢直接连接接头的韧性一般较差，为了提高接头的强韧性，就必须抑制界面金属间化合物的生成及成长，目前国内外主要从改善工艺参数和焊接方法着手研究。
为了防止或避免焊接时界面处形成金属间化合物，可采用中间过渡层的方法[5]。
2．本课程设计的目的及意义
（1）.理解掌握扩散的理论
（2）.学会用扩散公式计算某元素随温度及时间的扩散距离
（3）.根据计算结果作图，找出最佳工艺参数
（二）课程设计内容
1.扩散连接的基本概念及特征
扩散连接的基本概念
扩散焊是在一定的温度和压力下将两种待焊金属的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离达（1～5）×10-8cm以内（这样原子间的引力起作用，才可能形成金属键），再经较长时间的原子相互间的不断扩散，相互渗透，来实现冶金结合的一种焊接方法。
扩散焊的工艺特点
扩散焊一般以间接热能为能源，通常是在真空或保护气氛下进行。
焊接时使两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一段时间，以达到原子间距离，经过原子相互扩散而接合。
焊前不仅需要清洗工件表面的氧化物等杂质，而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量，使用这种焊接方法时接合面间可预置填充金属。
扩散焊对被焊材料的性能几乎不产生有害作用，可以用来焊接很多同种和异种金属以及一些非金属材料，如陶瓷等，并且可以焊接复杂的结构及厚度相差很大的工件。
扩散焊的工艺参数
1、温度温度是扩散焊最重要的工艺参数，温度的微小变化会使扩散焊速度产生较大的变化。
在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快，所获得的接头强度也高。
从这点考虑，应尽可能选用较高的扩散焊温度。
但加热温度受被焊工件和夹具的高温强度，工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，而且温度高于一定值之后再提高时，接头质量提高不多，有时反而下降。
对许多金属和合金，扩散焊温度为~（K），Tm为母材熔点；对出现液相的扩散焊，加热温度比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一些。
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。
2、压力在其它参数固定时，采用较高压力能产生较好的接头。
压力上限取决于对焊件总体变形量的限度，设备吨位等。
对于异种金属扩散焊，采用较大的压力对减少或防止扩散孔洞有作用。
除热等静压扩散焊外通常扩散焊压力在~50MPa之间选择。
对出现液相的扩散焊可以选用较低一些的压力。
压力过大时，在某些情况下可能导致液态金属被挤出，使接头成分失控。
由于扩散压力
对第二、三阶段影响较小，在固态扩散焊时允许在后期将压力减小，以便减小工件变形。
3、扩散时间扩散时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间。
在该焊接时间内必须保证扩散过程全部完成，以达到所需的强度。
扩散时间过短，则接头强度达不到稳定的、与母材相等的强度。
但过高的高温高压持续时间，对接头质量不起任何进一步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。
对可能形成脆性金属间化合物的接头，应控制扩散时间以求控制脆性层的厚度，使之不影响接头性能。
扩散焊时间并非一个独立参数，它与温度、压力是密切相关的。
温度较高或压力较大，则时间可以缩短。
对于加中间层的扩散焊，焊接时间取决于中间层厚度和对接头成分组织均匀度的要求（包括脆性相的允许量）。
实际焊接过程中，焊接时间可在一个非常宽的范围内变化。
采用某种工艺参数时，焊接时间有数分钟即足够，而用另一种工艺参数时则需数小时。
4、保护气氛焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空度、漏气率均会影响扩散焊接头质量。
常用保护气体是氩气，常用真空度为（1—20）X10—3Pa。
对有些材料也可用高纯氮、氢或氦气。
在超塑成形和扩散焊组合工艺中常用氩气氛负压（低真空）保护金属板表面。
另外，冷却过程中有相变的材料以及陶瓷类脆性材料扩散焊时，加热和冷却速度应加以控制。
共晶反应扩散中，加热速度过慢，则会因扩散而使接触面上成分变化，影响熔融共晶成。
2扩散焊的扩散机理
扩散焊是在金属不熔化的情况下，形成焊接接头，这就必须使两待焊表面接触距离达到1%微米以内，这样原子间的引力才起作用，并形成金属键，获得一定强度的接头。
（1）第一阶段：
变形和交接面的形成。
在温度和压力的作用下，粗糙表面的微观凸起部位首先接触和变形，在变形中表面氧化层被挤破，吸附层被挤开，从而达到紧密接触，形成金属键连接。
随着变形加剧，接触区扩大，最终在表面形成晶粒间的连接。
而未接触区形成"孔洞"残留在界面上。
同时，由于相变和位错等因素，表面上产生"微凸"，这些"微凸"又是形成金属键的"活化中心"。
（2）第二阶段：
晶界迁移和微孔的削除。
通过表面和界面原子扩散和再结晶，使界面晶界发生迁移，界面上第一阶段留下的孔洞渐渐变小，继而大部分孔洞在界面上消失，形成了焊缝。
（3）第三阶段：
体积扩散、微孔和界面消失。
在形成焊缝后，原子扩散向纵深发展，出现所谓"体"扩散，随着"体"扩散的进行，原始界面完全消失，界面上残留的微孔也消失，在界面处达到冶金连接，接头成分趋向均匀。
在扩散焊的过程中，上述三个阶段依次连续进行。
扩散焊质量与焊件表面质量有紧密的联系，表面质量的关键是焊件表面氧化膜的去除。
一般通过挤破、溶解和球化聚集作用去除，而这两种方式是一个需要温度和时间的扩散过程。
3扩散连接相关公式及推导
菲克第一和第二定律
在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）与该截面处的浓度梯度（Concentrationgradient）成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。
这就是菲克第一定律，它的数学表达式如下：
式中,D称为扩散系数（m2/s），C为扩散物质（组元）的体积浓度（原子数/m或kg/m），dC/dx为浓度梯度，“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散。
扩散通量J的单位是kg/m^2·s。
菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。
菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即
将代入上式，得
······
（2）
这就是菲克第二定律的数学表达式。
如果扩散系数D与浓度无关，则该式可以写成
······（3）
上式中，C为扩散物质的体积浓度（kg/m）,t为扩散时间（s）,x为距离（m）。
实际上，固溶体中溶质原子的扩散系数D是随浓度变化的，为了使求解扩散方程简单些，往往近似地把D看作恒量处理。
对于符合假定条件的恒定源半无限大物体中的扩散，其初始条件为
t=0，x≥0则c=0
边界条件为
t>0,x=0则c=Cx=∞则c=0
对于题目中所涉及的扩散，C/C=ERFC（x/2√Dt）
扩散系数D的公式
扩散系数（Diffusioncoefficient）D是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散通量，D值越大则扩散越快。
对于固态金属中的扩散，D值都是很小的，例如，1000℃时碳在r-Fe中的扩散系数D仅为10m^2/s数量级[6]。
由扩散第一定律可知，在浓度梯度一定时，原子扩散仅取决于扩散系数。
对于典型的原子扩散过程，D符合Arrhenius公式D=D0exp【-Q/RT】。
式中，D0是频率因子，Q为扩散激活能，R为气体常数。
D的大小取决于D0、Q、T，凡是能改变着三个参数的因素都将改变扩散过程。
计算原理及作图过程
扩散系数D的计算过程
已知温度、扩散常数D、扩散激活能Q，则可以通过公式
D=D*EXP（-Q*1000/D/，进行计算。
扩散物
被扩散物
温度/K
D。
m2/s
QkJ/mol
Dm2/s
Dum2/s
Ni
410
1123
268
1173
268
1223
268
1273
268
410
Ni
1123
269
1173
269
1223
269
1273
269
Nb
Ti
1123
142
1173
124
1223
124
1273
124
Ti
Nb
1123
370
1173
370
1223
370
1273
370
作图过程
由公式C/C=ERFC（x/2√Dt），可做出以下图表进行计算。
由excel图表数据，可以通过origin进行曲线绘制
由此，可以进行计算、作图。
分别计算Ti、Nb、410之间在和1123k1173k1213k1273k时的扩散距离与浓度梯度的关系，做出图形如下。
图1钛合金向Nb原子侧在同一时间不同温度下扩散的理论曲线
（c）（d）
（a）（b）
（a）1123k（b）1173k
（c）1223k（d）1273k
图2钛合金向Nb原子侧在同一温度不同时间下扩散的理论曲线
（a）（b）
图3Nb原子向钛合金侧在同一时间不同温度下扩散的理论曲线
（c）（d）
图4Nb原子向钛合金侧在同一温度不同时间下扩散的理论曲线
（c）1223k（d）1273k
（a）1123k（b）1173k
（a）（b）
（c）（d）
图5Nb原子向410在同一时间不同温度下扩散的理论曲线
图6Nb原子向410在同一温度不同时间下扩散的理论曲线
（c）2123kd）2173k
（a）1123k（b）1173k
图7410向Nb原子在同一时间不同温度下扩散的理论曲线
（c）（d）
（a）（b）
（a）1223k（b）1273k
图8410向Nb原子在同一温度不同时间下扩散的理论曲线
（a）1123k（b）1173k
三结果分析
（1）温度影响扩散焊进展的主要因素是原子的扩散，而影响原子扩散的主要因素是浓度梯度和温度。
例如，由钛合金向Nb原子侧在同一温度不同时间下扩散的理论曲线，当温度分别为1123K、1173K、1223K、1273K，达到浓度梯度约为时，扩散最大距离分别为、、、；由410向Nb原子在同一温度不同时间下扩散的理论曲线，当扩散温度分别为1123K、1173K、1223K、1273K达到浓度梯度约为时，扩散时间为4500s，扩散最大距离分别为、、、。
由此可以得知当温度逐渐升高，扩散距离逐渐增大，且温度对其有较大影响。
（2）保温扩散时间扩散焊三个阶段的进行均需要较长的时间。
若扩散焊时间过短，严重时会导致焊缝中残留有许多孔洞，影响接头的性能。
例如，由钛合金向Nb原子侧在同一时间不同温度下扩散的理论曲线知，当扩散时间分别为、、，达到浓度梯度时，最大扩散距离分别为、、；由410向Nb原子在同一时间不同温度下扩散的理论曲线知当扩散时间分别为、、，达到浓度梯度时，最大扩散距离分别为、、9mm、。
由此可知，当温度一定，保温距离随保温扩散时间延长逐渐变大，但其对距离的影响不大。
（3）扩散连接时，中间层材料非常主要，除了能够无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间夹层进行扩散连接。
中间层材料不仅在固相扩散连接时使用，在液相扩散连接中应用的也比较广泛。
间层材料的加入使界面的浓度梯度变大，促进元素的扩散，加速扩散空洞的消失。
中间层的作用可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。
四参考文献
[1]李梁，孙健科，孟祥军．钛合金的应用现状及发展前景2004，21（6）：
25—29
[2]曹春晓.钛合金在大型运输机上的应用[J].稀有金属快报,2006,25
（1）:
17-21.
[3]FolkhardE.不锈钢焊接冶金[M].栗卓新,朱学军,译.北京:
化学工业出版社,2004.
[4]张汇文岳鑫张九海冯吉才.钛合金与不锈钢的钎焊和扩散焊技术研究现状及发展趋势.2OO51025
[5]孔庆吉 曲伸 邵天巍 李文学.钎焊及扩散焊技术在航空发动机制造中的应用与发展
航空制造技术·2010年第24期
[6]文九巴材料科学与工程
升级会员 