【正文】 在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我還學(xué)到了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。25 / 34結(jié) 論通過(guò)改變加熱溫度和保溫時(shí)間來(lái)真空釬焊焊石墨/TC4 合金，對(duì)其焊縫接頭進(jìn)行微觀分析，得出結(jié)論：（1）當(dāng)保溫時(shí)間中間層等變量相同時(shí)，加熱溫度越高，試樣的擴(kuò)散層越大，焊縫越窄。因此，對(duì)焊接過(guò)程中易形成金屬間化合物的材料焊接應(yīng)嚴(yán)格控制焊接時(shí)間，抑制接頭中有害組織的產(chǎn)生，避免接頭性能惡化。總的來(lái)說(shuō)，在確保充分?jǐn)U散的條件下，保溫時(shí)間愈短愈好。 保溫時(shí)間對(duì)擴(kuò)散層厚度的影響保溫時(shí)間也是影響焊縫寬度的關(guān)鍵因素。通過(guò)固定保溫時(shí)間，不同的加熱溫度，來(lái)找到適合石墨/鈦合金焊接的最佳溫度。同理，在擴(kuò)散區(qū)的 C 點(diǎn)中，Ni 元素滲透入鈦合金中。E 點(diǎn)是在擴(kuò)散區(qū)，同理由于 Ni 元素在反應(yīng)中形成的大量液相，擴(kuò)散滲入鈦合金中。 (2)焊縫中心區(qū)它主要由金屬化合物組成，也有母材的溶解。擴(kuò)散到石墨側(cè)的 Ti 與 C 反應(yīng)生成 Ti/C 化合物。在釬焊的連接中，由于固態(tài)的中間層在釬焊保溫的過(guò)程中熔化，這使得中間層和基體金屬的接觸面比固態(tài)的擴(kuò)散焊接時(shí)大得多，而且由于液體良好的流動(dòng)性使原子的擴(kuò)散變得容易得多。 綜上所述可以確定真空釬焊的工藝參數(shù)，本試驗(yàn)的 1，2，3，4，5，6 六個(gè)試樣的溫度工藝曲線見(jiàn)圖 24，以試樣 6 為例：A→E 是加熱過(guò)程分四個(gè)階段：①A→B：加熱速度為 15℃/min；② B→C：加熱速度為 5℃/min；③C→D：保溫 30 秒；④D→E ：冷卻速度為 5℃/min。不與母材發(fā)生不良的冶金反應(yīng)，如不產(chǎn)生脆性相或不希望出現(xiàn)的共晶相。異種材料連接時(shí)由于材料物理化學(xué)性能的突變，特別是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不同，接頭易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。改善冶金反應(yīng)，避免或減少形成脆性金屬間化合物和有害的共晶組織。同時(shí)，中間材料的加入，使界面的濃度梯度變大，促進(jìn)元素的擴(kuò)散，加速擴(kuò)散空洞的消失。(4)表面狀態(tài)擴(kuò)散連接的材料表面應(yīng)光滑平整，一般先進(jìn)行機(jī)械加工，然后去除加工表面的油污、銹及表面氧化物。由于本實(shí)驗(yàn)需要大量數(shù)據(jù)作為參考，所以保溫時(shí)間有 30s、1min 和 3min。 (2)保溫時(shí)間的影響保溫時(shí)間，主要決定原子擴(kuò)散和界面反應(yīng)的程度，同時(shí)也對(duì)所連接金屬的蠕變產(chǎn)生影響。因此，不同材料組合的連接溫度，應(yīng)根據(jù)具體情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)選定。 GraphiteNi TC4 alloy GraphiteCuNi TC4 alloy表 23 腐蝕劑的化學(xué)成分16 / 34 真空釬焊工藝參數(shù)的選擇 焊接參數(shù)額選擇主要有溫度、保溫時(shí)間、加熱速度、冷卻速度，這些因素之間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮。用腐蝕劑腐蝕試樣表面，試驗(yàn)選用的腐蝕劑具體成分如表 23 所示，腐蝕時(shí)間為 6 分鐘。（2）去油污處理，之后用丙酮對(duì)釬焊表面進(jìn)行去油污處理。表 22 掃描電鏡主要性能參數(shù)性能名稱 參數(shù)指標(biāo)分辨率（nm） 加速電壓（kv） ~30圖象平移（μm） 50~50物鏡光闌 三級(jí)倍數(shù) x5~x30000014 / 34束流（A） 1p~1μ燈絲 預(yù)對(duì)中型燈絲圖 22 JSM6460 型掃描電鏡樣品臺(tái)：大尺寸、超級(jí)對(duì)中樣品太（可裝 φ203mm 樣品） ，五軸馬達(dá)驅(qū)動(dòng)?？梢苑奖愕剽F焊那些用其它方法難以釬焊的金屬和合金。本實(shí)驗(yàn)所用真空室?guī)в兄Ъ?，將試樣放入線圈內(nèi)，同時(shí)用 Mo 筒產(chǎn)生感應(yīng)系統(tǒng)，真空室用水冷卻，爐子的最高工作溫度取決于所用材料的程序。表21真空爐技術(shù)參數(shù)性能名稱 參數(shù)指標(biāo)最高加熱溫度（℃） 1500最大加熱功率（KW） 30冷態(tài)真空度（Pa） 110－3熱態(tài)真空度（Pa） 510－3爐膛尺寸（mm） 140160該真空爐的最大特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，精度達(dá)到177。12 / 34第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法 實(shí)驗(yàn)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(wú)水乙醇 (CH3CH2OH)、金相砂紙、顆粒度為 Al2O3 拋光液、燈心絨拋光布。11 / 34 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。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。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)。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。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。如確需使用，則應(yīng)采用相應(yīng)的復(fù)雜的工藝措施。(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。(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。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。因此，應(yīng)盡量避免釬縫中出現(xiàn)化合物組織?；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。由于它較脆，對(duì)接頭性能有不良的影響。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。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。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。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。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7 / 34最廣的焊接方法應(yīng)當(dāng)屬擴(kuò)散焊和釬焊。石墨還有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性能。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]。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)。它具有良好的綜合力學(xué)性能，大多可熱處理強(qiáng)化(但 TC TCTC7 不能熱處理強(qiáng)化)，鍛造、沖壓及焊接性能較好，可切削加工，室溫強(qiáng)度高。近年來(lái)，工業(yè)部門采用新型焊接結(jié)構(gòu)中，鈦及其合金的應(yīng)用也越來(lái)越多，已占有重要的地位。 鈦合金可以分為 α、α+β 、 β 型合金及鈦鋁金屬間化合物（TixAl，此處 x=1）四類。A2(Ti3Al)和 r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用部位正由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。 第一個(gè)實(shí)用的鈦合金是 1954 年美國(guó)研制成功的 Ti6Al4V 合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的 75％～85％。但是當(dāng)進(jìn)一步提高焊縫含碳量時(shí)，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀 TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。 ? （2）氧的影響 氧在鈦的 α 相和 β 想中都有有較高的熔解度，并能形成間隙固深相，使用權(quán)鈦的晶傷口嚴(yán)重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強(qiáng)度，使塑性卻顯著降低。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開(kāi)始吸收氫，從400℃開(kāi)始吸收氧，從600℃開(kāi)始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會(huì)直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到锨合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。石墨材料的潤(rùn)濕還受其孔隙率和它吸附的氣體及其它雜質(zhì)的影響。Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò) 40 %時(shí),該體系的潤(rùn)濕性隨著 Ti 含量增加而顯著改善。由于純金屬的熔點(diǎn)較高，對(duì)石墨的潤(rùn)濕需要在較高的溫度下才能進(jìn)行，因此應(yīng)用并不廣泛。 石墨的潤(rùn)濕性研究現(xiàn)狀 [5]。國(guó)際市場(chǎng)需求量也逐年增長(zhǎng)。美國(guó)已研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問(wèn)題，隨后德、日、法也開(kāi)始研制生產(chǎn)。在國(guó)防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導(dǎo)彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料。用于原子能工業(yè)和國(guó)防工業(yè)：石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾石墨反應(yīng)堆是目前應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料：由于石墨的熱膨脹系數(shù)小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。石墨乳也是許多金屬加工(拔絲、拉管)時(shí)的良好的潤(rùn)滑劑。此外，在電解金屬鎂、鋁、鈉時(shí)，電解槽的陽(yáng)極也用石墨電極。鎂碳磚鎂碳耐火材料是由美國(guó)研制成功，隨后日本煉鋼業(yè)開(kāi)始把鎂碳磚用于水冷卻電弧爐煉鋼中。鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好 [3]。但在氧化劑（如高氯酸 HClO4）作用下能被氧化。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，電導(dǎo)率約為一般非金屬的 100 倍，碳素鋼的 2 倍，鋁的 3~1 / 34倍。每個(gè)碳原子以一個(gè) S 電子和兩個(gè) P 電子與其周圍的三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，而另一個(gè)具有活動(dòng)性的 P 電子則形成離域大 π 鍵，從而使晶體具有一定的金屬性。石墨是由碳原子組成的六方網(wǎng)層。硬度為 1～2，沿垂直方向隨雜質(zhì)的增加其硬度可增至 3～5。每一網(wǎng)層間的距離為 人，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為 。 Contact reaction welding。 the thickness of the diffusion will increase with the heat preservation increasing。結(jié)果表明：(1)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，加熱溫度越高，試樣的擴(kuò)散層越大，焊縫則越窄。 / 34 江蘇科技大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 加中間層鈦合金與石墨接觸反應(yīng)焊工藝研究 系 部： 機(jī)械與材料工程 專業(yè)名稱： 材料成型及控制工程 班 級(jí)： 08428151 學(xué) 號(hào)： 0842815131 作 者 ： 張 寧 指導(dǎo)教師 ：