【文章內容簡介】 工業(yè)、微電子、汽車、石油化工等領域得到了日益廣泛的應用。如航空發(fā)動機和航天推進系統(tǒng)以及核工業(yè)中的異種金屬導管結構、熱管結構、陶瓷金屬結構、航空航天儀表的雙金屬構件；電子行業(yè)中集成電路板的制造、電子封裝以及高級鋁銅散熱器；汽車行業(yè)中的鋁鋼連接結構；冰箱中的鋁銅管路結構等都是異種材料連接結構 [10]。 連接是異種材料連接結構 廣泛應用的關鍵環(huán)節(jié)，由于異種材料的物理、化學及力學性能方面存在著巨大的差異，對連接方法要求比較苛刻。機械連接和膠接存在強度低、結構質量大、膠接產生多余物等缺點；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生殘余應力； （ 3） 力學性能差異巨大，導致連接界面力學失配，產生嚴重的應力奇異行為 [11]。 上述問題的存在，不但使得異種材料連接困難，而且還影響到接頭組織、性能和力學行為，甚至嚴重影響結構的完整性和可靠性。由于異種材料連接的特殊性，常用方法有：熔釬焊、釬焊、擴散釬焊、擴散 焊、冷壓焊、摩擦焊等特種連接技術。 但是由于 石墨的原子鍵結合得很牢固，在高溫下強度大，吸收熱中子截面小，導熱性好，具有極高的熔點（升華溫度）和耐熱沖擊性能。石墨還有良好的導電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性能。但石墨材料的抗拉強度很低，塑性差，其線脹系數(shù)則遠比一般金屬為低，僅為（ ~） 106/℃ [12]。石墨是一種多孔材料，在空氣中溫度為 400℃以上時能急劇氧化。 因為石墨的熔點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散焊、釬焊。 與金屬的連接方法有機械連接、粘接、 釬焊、擴散焊等，其中研究最多、應用最廣的焊接方法 應 當屬擴散焊和釬焊。特別是，由于 擴散 焊方法對母材組織和性能的影響較?。荒覆暮附幼冃屋^?。灰虼?擴散 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，而是以共價鍵結合在一起，在石墨與金屬的焊接中存在以下的困難： （ 1）石墨以共價鍵結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，在進行釬焊時往往會發(fā)生連接強度不高或者不完全焊合的情況 [14]。 （ 2）石墨的線膨脹系數(shù)遠低于大多數(shù)金 屬材料，在焊接降溫過程中接頭處會產江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 生很大的殘余應力，且石墨的抗拉強度很低，極易產生裂紋，使接頭的強度下降。 鑒于存在上述問題，在石墨與金屬連接的過程中，需要研究石墨 在擴散焊條件下石墨 /金屬接頭的界面結構，并對焊后的接頭進行性能分析，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構，而得到光潔的致密，其具有優(yōu)良的力學性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭 [15]。 材料的擴散焊是以 “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合力，來連接兩個和兩個以上的表面，隨后表面上產生的擴散過程提高了這一連接的強度。擴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足以消除工件表面微觀的不平度。 在真空中，高于再結晶溫度時只施加不大的壓力，就足以使相接觸的焊件接合如果連接區(qū)域擴散開，并具有體積特性時，則就獲得了連接的可靠性和強度 。 真空 釬 焊原理 真空釬焊時去除氧 化膜的機理主要有：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，對于高合金鋼而言，是由于氧化物破裂，釬料滲入后與碳反應產生二氧化碳，對于鋁合金而言，由于 Al2O3 與碳作用生成了低價氧化物；鈦合金則是因為表面化合物增厚而破裂。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)釬料對基體金屬潤濕性的標準是潤濕系數(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果，液態(tài)釬料如果能 夠潤濕基體金屬，則在毛細作用下填滿接頭間隙，形成釬焊接頭。能否形成優(yōu)質釬焊接頭，要根據(jù)液態(tài)釬料與基體金屬之間的作用來決定。 釬料元素向基體金屬的擴散 釬焊時，釬料中合金元素會從高濃度向低濃度擴散，擴散量和擴散速度除了與元素的濃度梯度有關外，還與擴散面積和擴散時間成正比。擴散系數(shù)隨溫度的升高而增江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 加。擴散的結果，在靠近基體金屬的釬縫附近形成固溶體，當釬料元素能與基體金屬形成共晶時，釬料組元會向基體金屬的晶界，形成的低熔共晶體叫做晶間滲入。由于它較脆，對接頭性能有不良的影響。 基體金屬在液態(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?shù)姆秶鷥?，對于接頭性能是有利的。但溶解量不適當時，則使釬料的熔點提高，從而產生焊不透等缺陷。基體金屬如過多的溶解到釬料中，則在基體金屬上就會出現(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，會降低接頭的塑性和強度，特別是當化合物形成連續(xù)層時，影響更大。因此，應盡量避免釬縫中出現(xiàn)化合物組織。當釬料中含硼量高于4%時，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散到基體金屬中，但由于結晶時間較短，就可減少或避免金屬間化合物的形成。當間隙一定時，提高釬焊溫度或延長釬焊保溫時間，增加硼、硅等形成化合物的元素就容易擴散到基體金屬中，但由于結晶時間較短，就可減少或避免金屬間化合物的形成。當間隙一定時，提高釬焊溫度或延長釬焊保溫時間，增加硼、硅等元素的擴散量，也可 減少或避免形成金屬間化合物。 真空 釬 焊的優(yōu)缺點 真空釬焊的的優(yōu)點 :(1)全部釬焊過程，被釬焊零件處于真空條件下，不會出現(xiàn)氧化，添碳，脫碳及污染變質等現(xiàn)象。 (2)釬焊時，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的揮發(fā)氣體和雜質，可使基體金屬性能得以改善。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 (4)因為不用釬劑，所以不會出現(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)省時間，改善了勞動強度，對環(huán)境無污染。 (5)可將零件熱處理工序在釬焊工藝過程中同時完成 。選擇適當?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，或同爐釬焊多個組件，釬焊效率高。 (7)可釬焊的基體技術種類多，特別適宜釬焊鋁，鈦和鈦合金，不銹鋼等。 (8)開闊了設計產品的設計途徑，對帶有狹窄溝槽極小的過度臺盲孔的部件和密容器形狀復雜的零件組圖均可采用，無須考慮由釬劑引起的腐蝕，清洗，破壞等問題 .因為真空釬焊的適應性強所以它有很好的經(jīng)濟性 .對于釬焊金屬零件需具備以下 3 個因素 :充滿接頭的釬料，防 止氧化的真空和零件的加熱方法。 總而言之，真空釬焊可以得到以下好處：可以經(jīng)濟的焊接復雜的和多零件組裝件；有兩好的應力分布和熱傳導；用簡單的方法可實現(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；能嚴格控制工藝過程。 真空 釬焊 的缺點： 在真空條件下金屬易于揮發(fā)，因此對含易揮發(fā)元素的基本金屬和釬料不宜使用真空釬焊。如確需使用，則應采用相應的復雜的工藝措施。 真空釬焊對釬焊前零件表面粗 糙度、裝配質量、配合公差等的影響比較敏感，對工作環(huán)境和工人理論水平要求較高，應用受到一定的限制。 真空設備復雜，一次性投資大，維修費用高。真空釬焊時，為了獲得優(yōu)質的釬縫，關鍵的條件是使液態(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行相互的物理化學作用，形成新合金，在冷凝結晶后，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。為了實現(xiàn)釬焊過程，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，主要是通過釬劑的化學作用或介質氣體的還原作用去除氧化膜的。而真空釬焊時，不使用釬劑和介質氣體，去除氧化膜的作用，是通過真空狀態(tài)本身來實現(xiàn)的。 因此，真空釬焊接頭的形成，包含三個相互有關的過程。一是真空條件下氧化膜江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（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行物理化學作用的過程。 石墨與鈦合金的 釬 焊技術研究 根據(jù)石墨的釬焊性特點，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 法處理時溫度較低，一般在金屬膜與石墨界面上不產生碳化物反應。石墨經(jīng)表面處理后再釬焊的方法由于增加了一道工序，因而應用不廣，但在一些特殊的場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用最多的方法。它利用釬料中含有的活性元素與石墨反應，在界面處生成碳化物而改善潤濕性， Ti、 Zr、 Hf 等過渡金屬，具有很強的化學活潑性，對于碳具有較強的親和力，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下進行釬焊。石墨與 鈦合金 的直接釬焊要根據(jù)要求選用相應的活性釬料。石墨與 鈦合金 釬焊接頭的熱應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荷和溫度差的熱循環(huán)工作場合 [18]。 石墨和 TC4 合金接觸反應的目的及意義 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，即石墨的耐高溫性、潤滑性、耐腐蝕性、可塑性和抗熱震 性，以及鈦合金的強度高、耐蝕性好、耐熱性高，因而被大量應用于鋁冶煉、重化工、原子能、航天航空等國民經(jīng)濟各部門。因此研究石墨和鈦合金的接觸反應具有重要的意義 [19] 本課題研究內容 （ 1）在環(huán)境真空的情況下，選擇不同的加熱溫度，研究不同溫度 對焊縫組織及性能的影響。 （ 2） 在一定的溫度范圍和保溫時間內，加熱溫度不變時，保溫時間的選擇對焊縫組織及性能的影響。 （ 3） 確定使用真空 釬 焊石墨 /TC4 合金 的最佳 焊接 工藝。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 第 2章 實 驗材料、設備和方法 實 驗材料 本課題主要使用的材料有：石墨 、 TC4 合金片 若 干 和、 30μm 的 Ni 箔片和 10μm 的 Cu/Ni 箔片 ，丙酮 (CH3COCH3)、無水乙醇 (CH3CH2OH)、金相砂紙、 顆粒度為 Al2O3拋光液 、 燈 心絨拋光布。 本試驗所要實現(xiàn)的是 石墨 和 TC4 合金 異種材料之間的連接。焊接前，將 純 C 和TC4 合金 加工成 20mm20mm2 mm大小。