【正文】 TC4的 特點(diǎn) 鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金 因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 50～ 60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金， 70 年 代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金， 80 年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。 另外， 20 世紀(jì) 70 年代以來，還出現(xiàn)了 TiNi、 TiNiFe、 TiNiNb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。鈦合金的友誼性能，使之在航空航天工業(yè)和軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 [9]。在大氣，海水和許多強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中也軍郵良好的抗腐蝕性能。其成分如表11 所示： 表 11 TC4 的 物理 性能 熱處理狀態(tài) 抗拉強(qiáng)度 /MPa 伸長率 % 沖擊韌度 /J如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航天推進(jìn)系統(tǒng)以及核工業(yè)中的異種金屬導(dǎo)管結(jié)構(gòu)、熱管結(jié)構(gòu)、陶瓷金屬結(jié)構(gòu)、航空航天儀表的雙金屬構(gòu)件；電子行業(yè)中集成電路板的制造、電子封裝以及高級(jí)鋁銅散熱器；汽車行業(yè)中的鋁鋼連接結(jié)構(gòu)；冰箱中的鋁銅管路結(jié)構(gòu)等都是異種材料連接結(jié)構(gòu) [10]。由于異種材料連接的特殊性，常用方法有：熔釬焊、釬焊、擴(kuò)散釬焊、擴(kuò)散 焊、冷壓焊、摩擦焊等特種連接技術(shù)。石墨是一種多孔材料，在空氣中溫度為 400℃以上時(shí)能急劇氧化。 由于石墨不像金屬那樣存在大量的自由電子，而是以共價(jià)鍵結(jié)合在一起，在石墨與金屬的焊接中存在以下的困難： （ 1）石墨以共價(jià)鍵結(jié)合在一起使其表面能很低，因此它的表面潤濕性很差，大多數(shù)常用釬料對(duì)它難于潤濕或不潤濕，在進(jìn)行釬焊時(shí)往往會(huì)發(fā)生連接強(qiáng)度不高或者不完全焊合的情況 [14]。 材料的擴(kuò)散焊是以 “物理純 ”表面的主 要特性之一為根據(jù)，該種表面由于開裂的原子鍵而具有 “結(jié)合 ”能力。 在真空中，高于再結(jié)晶溫度時(shí)只施加不大的壓力，就足以使相接觸的焊件接合如果連接區(qū)域擴(kuò)散開，并具有體積特性時(shí)，則就獲得了連接的可靠性和強(qiáng)度 。衡量液態(tài)釬料對(duì)基體金屬潤濕性的標(biāo)準(zhǔn)是潤濕系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 加。只要溶解量在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對(duì)于接頭性能是有利的。這些釬焊接頭塑性好，強(qiáng)度高，是理想的釬焊接頭組織。 如果接頭間隙很小，硼、硅等形成化合物的元素就容易擴(kuò)散到基體金屬中，但由于結(jié)晶時(shí)間較短，就可減少或避免金屬間化合物的形成。 (2)釬焊時(shí)，零件整體受熱均勻，熱英里小，可將變形量控制在最小限度，特別適宜精密產(chǎn)品的釬焊。選擇適當(dāng)?shù)拟F焊工藝參數(shù)，還可將釬焊安排為最后的程序，而得到符合要求的釬焊接頭。 總而言之，真空釬焊可以得到以下好處：可以經(jīng)濟(jì)的焊接復(fù)雜的和多零件組裝件；有兩好的應(yīng)力分布和熱傳導(dǎo)；用簡單的方法可實(shí)現(xiàn)大面積或長度的連接；能使鑄造材料和變形金屬連接；能使某些非金屬和金屬連接；能使異種金屬相互連接；能夠使大型組裝件在無應(yīng)力集中下焊接；能保持被連接金屬的冶金特征；能夠提高知道公差；能嚴(yán)格控制工藝過程。 真空設(shè)備復(fù)雜，一次性投資大，維修費(fèi)用高。不同的釬焊方法采用 不同的除氧化膜和防止氧化措施。一是真空條件下氧化膜江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 的去除過程；二是釬料填滿釬焊間隙的過程；三是釬料與母材基體金屬相互進(jìn)行物理化學(xué)作用的過程。另一類方法是直接釬焊法，特別是活性釬料釬焊法是目前應(yīng)用最多的方法。石墨與 鈦合金 釬焊接頭的熱應(yīng)力主要是由于石墨與釬料之間的線膨脹系數(shù)差別而引起的。 （ 2） 在一定的溫度范圍和保溫時(shí)間內(nèi)，加熱溫度不變時(shí)，保溫時(shí)間的選擇對(duì)焊縫組織及性能的影響。焊接前，將 純 C 和TC4 合金 加工成 20mm20mm2 mm大小。 圖 21真空高頻感應(yīng)加熱爐 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 真空爐中釬焊的設(shè)備主要由真空釬焊爐和真空系統(tǒng)組成。待程序結(jié)束后，關(guān)閉真空爐的加熱電源，等到水冷到 200℃時(shí)關(guān)閉真空泵，等到真空泵冷卻 40 分鐘時(shí)關(guān)閉機(jī)械泵，停止整個(gè)系統(tǒng)。掃描電子顯微鏡作為一種有效的顯微結(jié)構(gòu)分析工具，可以對(duì)各種材料進(jìn)行多種形式的表面觀察與分析，特別使用于不便進(jìn)行破壞處理的塊狀樣品，配合能譜儀可以對(duì)各種元素進(jìn)行定性、定量分析。 實(shí)驗(yàn)過程 試樣處理 （ 1） 清除氧化膜：進(jìn)行 真 空 釬 焊的零件，一般都是經(jīng)過精加工的，表面很少存在較厚的氧化皮，但仍可能會(huì)存在一層氧化膜， 試樣 入爐前一定要除去這些氧化物。 圖 23 試樣裝配 示意圖 把焊好的試樣用線切割機(jī)沿著 焊 縫的方向垂直對(duì)稱的切割，然后選擇其中比較好的一半，由于 切割后 試樣較小，不利于后面拋光加工以完成金相試驗(yàn)，故需將 選定后的 小試樣 用 鑲嵌 機(jī)進(jìn)行鑲嵌。 在掃描電子顯微鏡對(duì)試樣焊縫做線掃描，使用能譜儀做點(diǎn)的成分分析，拍攝顯微照 片，并進(jìn)行分析。 表 24 石墨與 TC4合金的擴(kuò)散焊工藝 (1)溫度的影響 連接溫度 T 越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，金屬的塑性變形能力越好，連接表面達(dá)到緊密接觸所需的壓力最小。因?yàn)?TC4 合金的成分是一個(gè)范圍區(qū)間，所以 TC4 合金的 是一個(gè)很寬的溫度區(qū)間，但 TC4 合金擴(kuò)散焊的最低溫度要在共析溫度以上。擴(kuò)散連接時(shí)，要求接頭成分均勻化的程度越高，連接時(shí)間就將以平方的速度增長。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。 中間層在擴(kuò)散連接時(shí)主要起以下作用： 改善表面接 觸，減少擴(kuò)散時(shí)的壓力。如 Ni 基合金表面容易形成氧膜，擴(kuò)散連接時(shí)，由于微量氧的存在，可在連接界面促進(jìn)碳化物和氮化物的形成，影響接頭性能?？梢越档瓦B接溫度，減少擴(kuò)散連接時(shí)間。 選擇合適的中間層同樣很重要，中間層選 擇應(yīng)該遵守以下原則：容易塑性變形，熔點(diǎn)比母材低。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 24 真空 釬 焊溫度工藝曲線 中間層材料的選擇多用軟質(zhì)純金屬材料，常用材料為 Ti、 Ni、 Cu、 Al、 Ag 及不銹鋼。 石墨和 TC4合金 接觸反應(yīng)機(jī)理 結(jié)合有關(guān)擴(kuò)散及凝固理論，反應(yīng)層形成及生長可分為等溫凝固和冷卻凝固兩個(gè)階段。 例如使用 Ni 箔做中間層時(shí)，圖 31 所示為 1000℃保溫 3min， Ni 箔中間層的試樣線掃描圖，借助線掃描圖可以清晰地看出材料中元素的移動(dòng)。 圖 31 1000℃ 3min， Ni 箔中間層的試樣線掃描圖 Ti C Al Ni V 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 接觸反應(yīng)焊焊接接頭的元素分析 接頭具有化學(xué)成分和組織不均勻的特點(diǎn)。 B 點(diǎn)是在焊縫區(qū)，由圖 33 可 知，在接觸反應(yīng)中 Ti 元素向 Ni 中擴(kuò)散， Ti 元素與受到 Ti 元素?cái)D壓而過飽和的 Ni 元素形成金屬間化合物 Ti2Ni。由圖34 可知，點(diǎn) A 是在焊縫區(qū)，由圖 33 可知，在反應(yīng) Ti 元素與 Ni 元素形成 Ti/Ni 化合物。 C TiC 焊 縫 擴(kuò) 散 層 Ti D C B A 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 工藝參數(shù) 對(duì)擴(kuò)散層厚度的影響 表 33 擴(kuò)散層厚度對(duì)比表中，加熱溫度 980℃ 的試樣，其焊縫寬度高于 1000℃ 的試樣，而加熱溫度同樣是 980℃ ，保溫時(shí)間 的試樣層厚度高于 3min 和 1min的兩組試樣。由圖 32 我可知，在 a 圖和 b 圖中，試樣在反應(yīng)中 Ti 元素和 Ni 元素都形成了大量的液相，但加 溫 1000℃ 時(shí)， Ni 元素和 Ti 元素的反應(yīng)更劇烈也更充分，擴(kuò)散入中心焊縫的 Ti 元素被大量消耗，與 Ni 元素形成 Ti 與 Ni 的化合物 Ti2Ni，使得中心焊縫變窄，并在中心焊縫形成大量 Ti2Ni 化合物。但超過材料的極限時(shí)，增加保溫時(shí)間不但不會(huì)起到作用，反而會(huì)使界面組織增大，降低 接頭強(qiáng)度。在其他焊接工藝不變的條件下， 保溫 時(shí)間的增加有利于材料原子擴(kuò)散更加充分，從而使接頭成分和組織更加均勻。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 (a) 980℃ 1min Cu/Ni箔作中間層 試樣線掃描圖 (b)980℃ 3min Cu/Ni箔作中間層 試樣線掃描圖 (c)980℃ Cu/Ni 箔作中間層 的試樣線掃描圖 圖 37 焊接接頭的線掃描圖 綜上所述， 結(jié)合 溫度的影響，選擇 Ni 箔做中間層時(shí) 980℃ 保溫 3min 較為合適。 （ 3）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知石墨 /TC4 合金 的 接觸反應(yīng)焊接合適的 焊接工藝參數(shù) 為：當(dāng)中間層是 Ni 箔時(shí)， 加熱溫度 980℃ ，保溫時(shí)間 3min；當(dāng)中間層是 Cu/Ni 箔時(shí)，加熱溫 度 980℃ ，保溫時(shí)間 。 感謝實(shí)驗(yàn)室所有的老師和同組實(shí) 驗(yàn)的同學(xué)對(duì)我提供的幫助！ 感謝評(píng)審和答辯的各位老師！ 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 參 考 文 獻(xiàn) [1] 徐慶元，李寧，熊國剛，張偉，趙偉 . 鈦基纖料纖焊石墨與 TZM 合金接頭組織與性能研究 . 2020， 12： 1 [2] 胡智榮，李玉平，肖漢寧，等 . 柔性石墨用耐高溫涂料的研制 [J]. 涂料工業(yè) ， 2020， 8 (11)：2124 [3] 胡法竹 . 石墨與鈦、鎳、銅金屬材料的連接方法 . 1997， 12 [4] 莊全超 ， 魏國禎 ， 董全峰 ， 等 . 溫度對(duì)石墨電極性能的影響 [J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào) ， 2020， 25(3)：406410. 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