【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 連接石墨與異種材料方法選擇既然石墨是重要的非金屬材料，那么想要更好的利用石墨的諸多優(yōu)良性能，就必須涉及到石墨與異種材料的連接問(wèn)題。異種材料連接就是兩種不同的材料（包括金屬和非金屬、復(fù)合材料、化合物等），通過(guò)一定工藝條件連接到一起，形成一個(gè)完整的具有一定使用性能的結(jié)構(gòu)。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、石油化工等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。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]。連接是異種材料連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的關(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(duì)連接方法要求比較苛刻。機(jī)械連接和膠接存在強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、膠接產(chǎn)生多余物等缺點(diǎn)；而常規(guī)熔焊方法則存在：（1） 冶金不相容性，界面形成脆性化合物相；（2） 由于熱物理性能不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力；（3） 力學(xué)性能差異巨大，導(dǎo)致連接界面力學(xué)失配，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力奇異行為[11]。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。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)。但是由于石墨的原子鍵結(jié)合得很牢固，在高溫下強(qiáng)度大，吸收熱中子截面小，導(dǎo)熱性好，具有極高的熔點(diǎn)（升華溫度）和耐熱沖擊性能。石墨還有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性能。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]。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。因?yàn)槭娜埸c(diǎn)很高且在空氣中高溫下容易氧化，所以不宜采用熔化焊的方法，石墨焊接最常用的方法為擴(kuò)散焊、釬焊。與金屬的連接方法有機(jī)械連接、粘接、釬焊、擴(kuò)散焊等，其中研究最多、應(yīng)用江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8最廣的焊接方法應(yīng)當(dāng)屬擴(kuò)散焊和釬焊。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]。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(rùn)濕性很差，大多數(shù)常用釬料對(duì)它難于潤(rùn)濕或不潤(rùn)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]。（2）石墨的線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于大多數(shù)金屬材料，在焊接降溫過(guò)程中接頭處會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，且石墨的抗拉強(qiáng)度很低，極易產(chǎn)生裂紋，使接頭的強(qiáng)度下降。鑒于存在上述問(wèn)題，在石墨與金屬連接的過(guò)程中，需要研究石墨在擴(kuò)散焊條件下石墨/金屬接頭的界面結(jié)構(gòu)，并對(duì)焊后的接頭進(jìn)行性能分析，這樣才能獲得性能可靠的石墨/金屬接頭。 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]。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(kāi)裂的原子鍵而具有“ 結(jié)合” 能力。采用真空和其他凈化表面的方法之后，就有可能利用上述原子結(jié)合力，來(lái)連接兩個(gè)和兩個(gè)以上的表面，隨后表面上產(chǎn)生的擴(kuò)散過(guò)程提高了這一連接的強(qiáng)度。擴(kuò)散焊接要求有一足夠的擠壓力，以便使焊接表面之間的距離縮短到原子之間力的相互作用半徑。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。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(kāi)，并具有體積特性時(shí)，則就獲得了連接的可靠性和強(qiáng)度。 真空釬焊原理真空釬焊時(shí)去除氧化膜的機(jī)理主要有：氧化膜在高溫、高真空中可自行分解；金屬元素和金屬氧化物的揮發(fā)破壞了金屬表面的氧化膜等，對(duì)于高合金鋼而言，是由于氧化物破裂，釬料滲入后與碳反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)于鋁合金而言，由于江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9Al2O3 與碳作用生成了低價(jià)氧化物；鈦合金則是因?yàn)楸砻婊衔镌龊穸屏?。真空釬焊可以去除鋁、鈦等氧化膜，因此提高真空度和釬焊溫度，有利于除去金屬氧化膜。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。衡量液態(tài)釬料對(duì)基體金屬潤(rùn)濕性的標(biāo)準(zhǔn)是潤(rùn)濕系數(shù)。它是液態(tài)釬料、固體金屬和釬焊氣氛三者之間相互作用的結(jié)果，液態(tài)釬料如果能夠潤(rùn)濕基體金屬，則在毛細(xì)作用下填滿接頭間隙，形成釬焊接頭。能否形成優(yōu)質(zhì)釬焊接頭，要根據(jù)液態(tài)釬料與基體金屬之間的作用來(lái)決定。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。擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增加。擴(kuò)散的結(jié)果，在靠近基體金屬的釬縫附近形成固溶體，當(dāng)釬料元素能與基體金屬形成共晶時(shí)，釬料組元會(huì)向基體金屬的晶界，形成的低熔共晶體叫做晶間滲入。由于它較脆，對(duì)接頭性能有不良的影響?；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。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。但溶解量不適當(dāng)時(shí)，則使釬料的熔點(diǎn)提高，從而產(chǎn)生焊不透等缺陷?；w金屬如過(guò)多的溶解到釬料中，則在基體金屬上就會(huì)出現(xiàn)凹陷，甚至熔穿的現(xiàn)象，這種缺陷叫做熔蝕，必須避免。（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。這些釬焊接頭塑性好，強(qiáng)度高，是理想的釬焊接頭組織。（2）金屬間化合物金屬間化合物一般硬而脆，會(huì)降低接頭的塑性和強(qiáng)度，特別是當(dāng)化合物形成連續(xù)層時(shí)，影響更大。因此，應(yīng)盡量避免釬縫中出現(xiàn)化合物組織。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。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。當(dāng)間隙一定時(shí)，提高釬江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10焊溫度或延長(zhǎng)釬焊保溫時(shí)間，增加硼、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。當(dāng)間隙一定時(shí)，提高釬焊溫度或延長(zhǎng)釬焊保溫時(shí)間，增加硼、硅等元素的擴(kuò)散量，也可減少或避免形成金屬間化合物。 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。(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。(3)基體金屬了釬料周圍存在低壓，能夠排除金屬在釬焊溫度下釋放出來(lái)的揮發(fā)氣體和雜質(zhì)，可使基體金屬性能得以改善。(4)因?yàn)椴挥免F劑，所以不會(huì)出現(xiàn)氣孔，夾雜等缺陷，可以省掉釬焊后清晰殘余釬劑的工序，節(jié)省時(shí)間，改善了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。(5)可將零件熱處理工序在釬焊工藝過(guò)程中同時(shí)完成。 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。(6)可一次釬焊多道臨近的釬縫，或同爐釬焊多個(gè)組件，釬焊效率高。(7)可釬焊的基體技術(shù)種類多，特別適宜釬焊鋁，鈦和鈦合金，不銹鋼等。(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:充滿接頭的釬料，防止氧化的真空和零件的加熱方法?？偠灾婵这F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(jiǎn)單的方法可實(shí)現(xiàn)大面積或長(zhǎng)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(wú)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(guò)程。真空釬焊的缺點(diǎn)：在真空條件下金屬易于揮發(fā)，因此對(duì)含易揮發(fā)元素的基本金屬和釬料不宜使用真空釬焊。如確需使用，則應(yīng)采用相應(yīng)的復(fù)雜的工藝措施。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，江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11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。真空設(shè)備復(fù)雜，一次性投資大，維修費(fèi)用高。真空釬焊時(shí)，為了獲得優(yōu)質(zhì)的釬縫，關(guān)鍵的條件是使液態(tài)釬料能夠充分地流入并致密地填滿全部釬焊間隙，并與母材基體金屬很好地進(jìn)行相互的物理化學(xué)作用，形成新合金，在冷凝結(jié)晶后，得到合乎要求的釬焊接頭。在釬焊高溫作用下，母材基體金屬和釬料本身的表面都可能很快地生成一層薄氧化膜，阻礙二者的直接接觸與相互作用。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。不同的釬焊方法采用不同的除氧化膜和防止氧化措施。在一般釬焊方法中，主要是通過(guò)釬劑的化學(xué)作用或介質(zhì)氣體的還原作用去除氧化膜的。而真空釬焊時(shí)，不使用釬劑和介質(zhì)氣體，去除氧化膜的作用，是通過(guò)真空狀態(tài)本身來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，真空釬焊接頭的形成，包含三個(gè)相互有關(guān)的過(guò)程。一是真空條件下氧化膜的去除過(guò)程；二是釬料填滿釬焊間隙的過(guò)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(guò)程。 石墨與鈦合金的釬焊技術(shù)研究根據(jù)石墨的釬焊性特點(diǎn)，石墨與鈦合金的釬焊方法可分為兩大類：一類是石墨表面處理后釬焊，石墨的表面處理后，在其表面沉積一層牢固的金屬膜，即表面金屬化，或生成一層碳化物薄層，從而可以用常用的釬料進(jìn)行釬焊。大多采用 CVD 法將金屬化元素沉積在石墨表面上，但是，由于石墨 CVD 法處理時(shí)溫度較低，一般在金屬膜與石墨界面上不產(chǎn)生碳化物反應(yīng)。石墨經(jīng)表面處理后再釬焊的方法由于增加了一道工序，因而應(yīng)用不廣，但在一些特殊的場(chǎng)合有其不可替代作用。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。它利用釬料中含有的活性元素與石墨反應(yīng)，在界面處生成碳化物而改善潤(rùn)濕性，Ti、Zr、Hf 等過(guò)渡金屬，具有很強(qiáng)的化學(xué)活潑性，對(duì)于碳具有較強(qiáng)的親和力，它們很容易與Cu、Ni 、Ag 等形成活性合金釬料。由于石墨在高溫下易氧化，因此石墨的直接釬焊必須在真空中或在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行釬焊。石墨與鈦合金的直接釬焊要根據(jù)要求選用相應(yīng)的活性釬料。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。因此，對(duì)于線膨脹系數(shù)高的釬料，所釬焊的接頭一般不使用于承受大的熱沖擊負(fù)荷和溫度差的熱循環(huán)工作場(chǎng)合 [18]。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 石墨和 TC4 合金接觸反應(yīng)的目的及意義 石墨與鈦合金的焊接接頭可以充分發(fā)揮石墨和鈦合金各自的優(yōu)勢(shì)，即石墨的耐高溫性、潤(rùn)滑性、耐腐蝕性、可塑性和抗熱震性，以及鈦合金的強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高，因而被大量應(yīng)用于鋁冶煉、重化工、原子能、航天航空等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。因此研究石墨和鈦合金的接觸反應(yīng)具有重要的意義 [19] 本課題研究?jī)?nèi)容 （1）在環(huán)境真空的情況下，選擇不同的加熱溫度，研究不同