【正文】 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于異種材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能方面存在著巨大的差異，對連接方法要求比較苛刻。 TC4 這類合金在高溫是 α+β 型兩相組織，因而得名 為 α+β 型鈦合金。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 目前，世界上已研制出的鈦合金 有數(shù)百種，最著名的合金有 20～ 30 種，如Ti6Al4V、 、 、 Ti32Mo、 TiMoNi、 TiPd、 SP700、 Ti624Ti102 Ti105 Ti102 BT BT IMI82 IMI834 等 [7,8]。世界上許多國家都認(rèn)識(shí)到锨合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。 TiH2強(qiáng)度很低，故片狀或針狀衛(wèi) HiH2的作用例以缺口，合沖擊性能顯著 降低；焊縫含氫量變化對強(qiáng)度的提高及塑性的降低的作用不很時(shí)顯。 鈦合金的特性 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。質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于 30%時(shí) ,接江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 觸角的變化規(guī)律性不強(qiáng)。 總之， 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，石墨的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬，已成為高科技領(lǐng)域中新型復(fù)合材料的重要原料，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的作用。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年代開發(fā)的一種新的石墨制品 。此外石墨還可作真空冶煉的石墨隔熱板和底座，高溫電阻爐爐管，棒、板、格棚等元件。許多輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備，廣泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和軸承，它們運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)勿需加入潤滑油。近年來，耐火材料工業(yè)中兩個(gè)重要的變化是鎂碳磚在煉鋼爐內(nèi)襯中被廣泛應(yīng)用，以及鋁碳磚在連續(xù)鑄造中的應(yīng)用 。 化學(xué)穩(wěn)定性，常溫下具良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不受任何強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。層內(nèi)原子作六方環(huán)狀排列，碳原子為三配位，碳原子的外層構(gòu)型為 S2P2，雜化作 SP2。 石墨質(zhì)軟，黑灰色；有油膩感，可污染紙張。 TC4 alloy。通過分析各元素的含量分布，及在不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間的元素分布曲線，我們知道接頭成分為 Ti/C 化合物、 Ti/Ni 化合物、游離態(tài)石墨、（ α+β）鈦合金。 最終確定 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 。 歸結(jié)而言：接觸反應(yīng)釬焊是一種依靠材料間的共晶反應(yīng)所產(chǎn)生的液相合金來實(shí)現(xiàn)連接的“自釬料”釬焊技術(shù) 。在隔絕氧氣條件下，其熔點(diǎn)在 3000℃以上，是最耐溫的礦物之一。 耐高溫性，石墨是碳的高溫變體，是目前已知的最耐高溫的材料之一，熔點(diǎn)高達(dá)3850℃ ， 4500℃ 才氣化。石墨的熱穩(wěn)定性良好，膨脹系數(shù)小 （ 106/℃ ），高溫下能經(jīng)受溫度劇烈變化而不破壞，且其體積變化不大。 石墨在電氣工業(yè)中廣泛用來 制 作電極、電刷、碳棒、碳管、水銀整流器的正極、石墨墊圈、電話零件、電視機(jī)顯像管的涂層等等。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好，滲透率低等特點(diǎn)， 就大量用于制作熱交換器，反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設(shè)備。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個(gè) ppm。 因此，是一種理想的密封材料。早在 60 年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者曾用座滴法對 20 多種純金屬測定了它們在液態(tài)下與石墨表面的潤濕角。例如 AuNi 共晶液相對石墨不潤濕，但假如了 Ta 或Mo 所構(gòu)成的 AuNiTa 和 AuNiMo 三元合金則對石墨有良好潤濕性 。 在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。 （ 3） 氮的影響 在 700℃以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇作用，形成脆硬的氮化鈦（ riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時(shí)所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更為嚴(yán)重，因 此，氮對提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強(qiáng)度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。 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。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]。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)。 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]。 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 。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。這些釬焊接頭塑性好，強(qiáng)度高，是理想的釬焊接頭組織。 (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。 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。不同的釬焊方法采用 不同的除氧化膜和防止氧化措施。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。 （ 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)間的選擇對焊縫組織及性能的影響。 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。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，配合能譜儀可以對各種元素進(jìn)行定性、定量分析。 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。 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。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。 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。可以降低連接溫度，減少擴(kuò)散連接時(shí)間。 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。 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)。 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。 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) 對擴(kuò)散層厚度的影響 表 33 擴(kuò)散層厚度對比表中，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。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。 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。 感謝實(shí)驗(yàn)室所有的老師和同組實(shí) 驗(yàn)的同學(xué)對我提供的幫助！ 感謝評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 . 溫度對石墨電極性能的影響 [J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào) ， 2020， 25(3)：406410. [5] 朱艷 . 石墨與銅纖焊工藝研究 . 2020， 6： 34 [6] 李亞江 . 焊接冶金學(xué) — 材料焊接性 . 2020， 10： 186187 [7] 莊全超 ， 魏國禎 ， 董全峰 ， 等 . 溫度對石墨電極性能的影響 [J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 25(3)：406410 [8] 卡扎柯夫 ,材料的擴(kuò)散焊接 ,北京，國防工業(yè)出版社， 1982， 2 [9] 何康生，曹雄夫，異種金屬焊接，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1986. [10] 曲文卿 ， 董 峰 ， 齊志剛， 等 . 異種材料的連接 [J]. 航天制造技術(shù)， 2020， 7(10)： 1214 [11] 劉慧云，張國棟，洪敏，等 . 石墨與鋼的放電等離子焊接 [J]. 電焊機(jī)， 2020， 6(11)： 121123 [12] D. A. Mortimer , Nicholas .The Wetting of Carbon and Carbides by Copper Alloys. [J] of Material Science. 1973， (8). [13] 趙越 . 釬焊技術(shù)及應(yīng)用 [M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 [14] 李志遠(yuǎn) . 先進(jìn)連接方法 [M]. 北京：機(jī)械 工業(yè)出版社， 2020 [15] 錢乙余，董占貴．國內(nèi)外釬焊技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài) [J]. 熱加工 . 1999， (10)： 1013 [16] 王艷艷，李樹杰，閏聯(lián)生 . 采用鈦基活性纖料高溫纖焊高強(qiáng)石墨 [J]. 2020， 6： 23 [17] 覃耀春 . 金屬學(xué)與熱處理 . 機(jī)械工業(yè)出版社， 2020， 5： 214218 [18] 趙婷，孫鳳蓮，趙密，李丹 . Ag— Cu— Ti 纖料在石墨表面的潤濕 . 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)第二期， 2020， 4： 9495 [19] 趙熹華 . 壓力焊 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1989 [20] R. G. Donnelly, G. M. Slaughter. The Brazing of Graphite. 1992， 3(5)