【正文】 祁 凱 二零一二 年 六 月I / 34江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文加中間層鈦合金與石墨接觸反應(yīng)焊工藝研究Study of contact reaction welding process between titanium and graphite with the interlayer of alloy / 34摘 要本課題研究的是石墨和 TC4 合金的真空釬焊工藝，觀察并且分析了釬焊溫度分別為 980℃、1000℃在不同中間層及不同的保溫時(shí)間下的焊縫區(qū)域的微觀組織和接頭區(qū)域成分。(2)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，保溫時(shí)間越短，擴(kuò)散層就越大。 selecting the welding temperature should be in accordance with the liquid line. Ultimately the graphite/contact reaction of TC4 alloy welding suitable welding parameters as follows: When the middle layer of Ni foil, the heating temperature of 980℃, holding time of 3min。 interface microstructureII / 34目 錄第 1 章 緒論 ..............................................1 接觸反應(yīng)焊的意 義 ..................................................1 石墨的材料 特性 ....................................................1 石墨的應(yīng)用及用途 ..............................................2 鈦合金 的特性 ......................................................4 TC4 的特點(diǎn) .....................................................5 連接石墨與異種材料方法選擇 ........................................6 使用真空釬焊的原因 ................................................8 真空釬焊原理 ..................................................8 真空釬焊的優(yōu)缺點(diǎn) ..............................................9 石墨與鈦合金的釬焊技術(shù)研究 .......................................11 石墨和 TC4 合金接觸反應(yīng)的目的及意義 ...............................11 本課題研究?jī)?nèi)容 ...................................................11第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料 、設(shè)備和方法 .............................12 實(shí)驗(yàn)材料 .........................................................12 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 .........................................................12 觀察及分析設(shè)備 ...............................................13 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 .........................................................14 試樣處理 .....................................................14 金相試樣制備 .................................................15 真空釬 焊工藝參數(shù)的選擇 .......................................16第 3 章 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果與分析 ...................................19 石墨和 TC4 合金接觸反應(yīng)機(jī)理 .......................................19 接觸反應(yīng)焊焊接接頭的元素分析 .....................................20III / 34 工藝參數(shù)對(duì)擴(kuò)散層厚度的影響 .......................................22 溫度對(duì)擴(kuò)散層厚度的影響 .......................................22 保溫時(shí)間對(duì)擴(kuò)散層厚 度的影響 ....................................23結(jié) 論 .................................................25致 謝 ...................................................26參 考 文 獻(xiàn) .............................................270 / 34第 1 章 緒論 接觸反應(yīng)焊的意義 接觸反應(yīng)釬焊是利用某些異種金屬能形成共晶的特點(diǎn)，在界面接觸反應(yīng)良好且加熱至高于共晶溫度的條件下，依靠金屬原子間的互擴(kuò)散在界面處形成共晶反應(yīng)液態(tài)金屬層，隨后冷凝結(jié)晶，從而把金屬連接起來(lái)的方法。屬六方晶系，具完整的層狀解理。比重為 ～。根據(jù)層的疊置層序和重復(fù)周期分為兩種類(lèi)型：ABAB 兩層一個(gè)重復(fù)周期的 2H 型，a0=，c0= nm；Z=4；ABCABC 三層一個(gè)重復(fù)周期的 3R 型，a0=，c0=，Z=6 。層內(nèi)極強(qiáng)的結(jié)合、層間巨大的間距及弱鍵構(gòu)成了石墨結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，并決定了石墨的特殊性能 [1]。若將石墨定向排列，加溫、加壓制成定向石墨，其順向?qū)щ娦约s為反向?qū)щ娦缘?1000 倍，故可制成各種半導(dǎo)體材料和高溫導(dǎo)電材料。在空氣 500℃開(kāi)始氧化，700℃時(shí)水蒸氣可對(duì)其產(chǎn)生侵蝕，900℃時(shí) CO2 也能對(duì)其產(chǎn)生侵蝕作用。吸熱性和散熱性，具良好的吸熱性能，每 1kg 可吸收(~) 107J 熱量，而金屬材料每 1kg 的吸熱量為 107J；石墨的散熱性能與金屬相當(dāng)。目前在世界范圍內(nèi)鎂碳磚已大量用于煉鋼，并已成為石墨的一種傳統(tǒng)用途。石墨在機(jī)械工業(yè)中常作為潤(rùn)滑劑。2 / 34石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。生產(chǎn)硬質(zhì)合金等粉末冶金工藝，通常用石墨材料制成壓模和燒結(jié)用的瓷舟。作為動(dòng)力用的原子能反應(yīng)堆中的減速材料應(yīng)當(dāng)具有高熔點(diǎn)，穩(wěn)定，耐腐蝕的性能，石墨完全可以滿(mǎn)足上述要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)石墨也開(kāi)發(fā)了許多新用途。這種產(chǎn)品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。此外，石墨還是輕工業(yè)中玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑，是制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石、鉆石不可缺少的原料。對(duì)于石墨的潤(rùn)濕問(wèn)題，許多學(xué)者曾作了詳細(xì)研究。在純金屬中加入 Ti 等強(qiáng)碳化物元素能夠降低熔點(diǎn)改善潤(rùn)濕性。在眾多關(guān)于石墨的釬焊研究報(bào)導(dǎo)中，都指出一些強(qiáng)烈生成碳化物元素（多數(shù)為過(guò)渡族元素），例如 Ti、Ta、Zr 、Nb 、V 和 Mo 等可以改善液態(tài)金屬對(duì)石墨的潤(rùn)濕性，即使這些液態(tài)金屬是對(duì)石墨完全不發(fā)生相互作用的非過(guò)渡族元素，如 Au、Ag、Cu、Sn 等或它們的合金。對(duì)于孔隙率很大的石墨，會(huì)由于釬料過(guò)多地滲入石墨內(nèi)部而使釬焊表面釬料不足。 鈦的焊接性 [6]:鈦及鈦合金的焊接性能，具有許多顯著特點(diǎn)，這些焊接特點(diǎn)是由于鈦及鈦合金的物理化學(xué)性能決定的。 ? 4 / 34（1）氫的影響 氫是氣體雜質(zhì)中對(duì)鈦的機(jī)械性能影響最嚴(yán)重的因素。為了保證焊接接應(yīng)的性能，除了在焊接過(guò)程中嚴(yán)防焊縫及焊按熱影響區(qū)發(fā)主氧化外，同時(shí)還應(yīng)限制基本金屬及焊絲中的含氧量。因此，鈦及鈦合金母材%，焊縫含碳量不超過(guò)母材含碳量。其他許多鈦合金都可以看做是 Ti6Al4V 合金的改型。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。鈦合金具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，耐腐蝕，國(guó)具有豐富的鈦礦資源，其儲(chǔ)量位距世界前列約占世界的 20%，為我國(guó)鈦合金工業(yè)的發(fā)長(zhǎng)提供了良好的基礎(chǔ)。它句用很高的強(qiáng)度，良好的塑性，的物理化學(xué)性能中最為特出的是比強(qiáng)度高。150~500℃以下且有較好的耐熱性，并有良好的低溫韌性和良好的抗海水應(yīng)力腐蝕及抗熱鹽應(yīng)力腐蝕能力。由于其具有良好的綜合性能，在航空航天、空間技術(shù)、核工業(yè)、微電子、汽車(chē)、石油化工等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。上述問(wèn)題的存在，不但使得異種材料連接困難，而且還影響到接頭組織、性能和力學(xué)行為，甚至嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性。但石墨材料的抗拉強(qiáng)度很低，塑性差，其線脹系數(shù)則遠(yuǎn)比一般金屬為低，僅為（~）10 6/℃[12]。特別是，由于擴(kuò)散焊方法對(duì)母材組織和性能的影響較?。荒覆暮附幼冃屋^?。灰虼藬U(kuò)散焊方法成為一種比較普遍的研究石墨與金屬的連接方法 [13]。 使用真空釬焊的原因真空釬焊是在真空氣氛中不用施加釬劑而連接零件的一種先進(jìn)的工藝方法，可以釬焊那些用一般方法難以連接的材料和結(jié)構(gòu)，而得到光潔的致密，其具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭 [15]。連接某一材料所需的壓力應(yīng)足以消除工件表面微觀的不平度。液態(tài)釬料潤(rùn)濕基體金屬表面是形成釬焊接頭的必要條件。釬料元素向基體金屬的擴(kuò)散釬焊時(shí)，釬料中合金元素會(huì)從高濃度向低濃度擴(kuò)散，擴(kuò)散量和擴(kuò)散速度除了與元素的濃度梯度有關(guān)外，還與擴(kuò)散面積和擴(kuò)散時(shí)間成正比?；w金屬在液態(tài)釬料中溶解如果基體金屬和液態(tài)釬料是互溶的，在釬焊過(guò)程中，一部分基體金屬有可能溶解于釬料中。（1）釬縫組織在合金狀態(tài)圖上，如果基體金屬能與釬料形成固溶體，或者基體金屬與釬料合金的基本元素相同，則可得到固溶體組織的釬焊縫。當(dāng)釬料中含硼量高于 4%時(shí)，即可形成 Ni2B 的金屬間化合物。 真空釬焊的優(yōu)缺點(diǎn)真空釬焊的的優(yōu)點(diǎn):(1)全部釬焊過(guò)程，被釬焊零件處于真空條件下，不會(huì)出現(xiàn)氧化，添碳，脫碳及污染變質(zhì)等現(xiàn)象。(5)可將零件熱處理工序在釬焊工藝過(guò)程中同時(shí)完成。(8)開(kāi)闊了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)途徑，對(duì)帶有狹窄溝槽極小的過(guò)度臺(tái)盲孔的部件和密容器形狀復(fù)雜的零件組圖均可采用，無(wú)須考慮由釬劑引起的腐蝕，清洗，破壞等問(wèn) 3個(gè)因素:充滿(mǎn)接頭的釬料，防止氧化的真空和零件的加熱方法。真空釬焊對(duì)釬焊前零件表面粗糙度、裝配質(zhì)量、配合公差等的影響比較敏感，10 / 34對(duì)工作環(huán)境和工人理論水平要求較高，應(yīng)用受到一定的限制。為了實(shí)現(xiàn)釬焊過(guò)程，必須徹底清除并防止繼續(xù)生成這種氧化薄膜。因此，真空釬