專(zhuān)利名稱(chēng)：一種分段式異種材料高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及異種材料間的連接，本連接方法有效解決了物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的兩異種材料間的連接，特別是解決了熔點(diǎn)差值高達(dá)40(T80(TC的異種金屬間或金屬與非金屬間的連接問(wèn)題。
背景技術(shù)：
擴(kuò)散焊是指在一定的溫度、壓力、保護(hù)介質(zhì)等工藝條件下保持一段時(shí)間，使緊密貼合的焊件界面處的不平處產(chǎn)生微觀塑性變形并發(fā)生原子相互擴(kuò)散而形成聯(lián)接的焊接方法， 通常也稱(chēng)為固相擴(kuò)散焊，已廣泛用于反應(yīng)堆燃料元件、蜂窩結(jié)構(gòu)板、靜電加速管、各種葉片、 葉輪、沖模、過(guò)濾管和電子元件等的制造，尤其是異種材料間的連接。擴(kuò)散焊對(duì)待焊表面質(zhì)量要求高，焊接時(shí)間較長(zhǎng)，接頭質(zhì)量不穩(wěn)定。瞬間液相(簡(jiǎn)稱(chēng)TLP)擴(kuò)散連接是在被焊金屬表面間加入中間層合金，依靠中間層合金在焊接過(guò)程中發(fā)生熔化或是與母材之間發(fā)生共晶反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)渡液相并在保溫的過(guò)程中凝固，中間層與焊件界面間原子相互擴(kuò)散形成焊接接頭的一種連接工藝。TLP工藝結(jié)合了釬焊和固相擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)率高、焊接時(shí)間短，接頭強(qiáng)度高，沒(méi)有明顯的界面和焊接殘留物，通過(guò)成分均勻化處理可以得到組織成分均勻且性能同母材相近的接頭，在工業(yè)生產(chǎn)中廣闊的應(yīng)用前景。擴(kuò)散焊與TLP連接用于異種材料連接具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。但是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常有需要對(duì)物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的兩異種材料間的連接，由于焊件材料性質(zhì)尤其是熔點(diǎn)差異大，有的異種金屬間的熔點(diǎn)差值甚至高達(dá) 40(T80(TC，如果采用單一的擴(kuò)散焊或TLP連接對(duì)這樣差異很大的兩異種材料間連接時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致焊接溫度高時(shí)雖有利于擴(kuò)散但會(huì)引起低熔點(diǎn)母材的熔化或燒損，焊接溫度低時(shí)又會(huì)出現(xiàn)界面間擴(kuò)散不良的問(wèn)題。因此目前對(duì)差異顯著的兩異種材料間的連接還無(wú)能為力，只能進(jìn)行差異較小的兩異種材料間的連接。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散 /低溫TLP復(fù)合連接方法，本方法有效解決了單獨(dú)利用擴(kuò)散焊或TLP焊對(duì)物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的異種材料進(jìn)行連接時(shí)，由于焊件材料性質(zhì)尤其是熔點(diǎn)差異大，導(dǎo)致焊接溫度高時(shí)雖有利于擴(kuò)散但會(huì)引起低熔點(diǎn)母材的熔化或燒損，焊接溫度低時(shí)又會(huì)出現(xiàn)界面間擴(kuò)散不良的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種分段式異種材料高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，兩異種材料間的熔點(diǎn)差值為40(T800°C，熔點(diǎn)相對(duì)高的稱(chēng)之為高熔點(diǎn)母材，熔點(diǎn)相對(duì)低的稱(chēng)之為低熔點(diǎn)母材，采用熔點(diǎn)介于兩母材熔點(diǎn)之間的金屬材料作為中間層，其連接步驟為
1)先利用固相擴(kuò)散焊將中間層一端與高熔點(diǎn)母材焊合，焊接溫度高于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)溫度而低于中間層熔點(diǎn)溫度；
2)然后在低于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)的焊接溫度條件下，利用瞬間液相連接技術(shù)將中間層另一端與低熔點(diǎn)母材連接，從而通過(guò)中間層實(shí)現(xiàn)兩異種材料間的連接。兩異種材料均為金屬或者一種為金屬，另一種為非金屬，非金屬為陶瓷。所述第1)步的焊接過(guò)程在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層和高熔點(diǎn)母材的外端各通過(guò)壓頭向中間施加載荷，該載荷采用恒壓或脈沖加壓方式；高熔點(diǎn)母材和對(duì)應(yīng)的壓頭之間以及中間層和對(duì)應(yīng)的壓頭之間設(shè)有鉭片，鉭片的兩個(gè)工作面各設(shè)有潤(rùn)滑用石墨膏。所述第2)步的連接過(guò)程在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層和低熔點(diǎn)母材結(jié)合面間通過(guò)陶瓷片施加大小為0. 2^0. 5MPa的恒定載荷。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明可用于對(duì)物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的異種材料進(jìn)行連接，如異種金屬間或金屬與非金屬間的連接，特別能實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)差值達(dá)40(T80(TC的異種材料間的連接。2.本發(fā)明在保證高熔點(diǎn)母材與中間層間元素充分相互擴(kuò)散的同時(shí)，能夠有效防止低熔點(diǎn)母材在焊接過(guò)程中發(fā)生熔化。3.本發(fā)明利用高溫固態(tài)擴(kuò)散和低溫TLP復(fù)合連接技術(shù)，利于促進(jìn)接頭成分均勻化和提高連接強(qiáng)度。4.本發(fā)明工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，成本不高，易于實(shí)現(xiàn)?？傊?，本方法通過(guò)分段式異種材料高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫TLP復(fù)合連接方法，將擴(kuò)散焊與TLP焊兩種連接方法的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，用于物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的異種材料間連接，在保證高熔點(diǎn)母材與中間層充分?jǐn)U散的同時(shí)，可以防止較低熔點(diǎn)母材在焊接過(guò)程中發(fā)生熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊件間的有效連接。


圖1-本發(fā)明第一階段一高熔點(diǎn)母材與中間層高溫固態(tài)擴(kuò)散連接示意圖。圖2-本發(fā)明第二階段一低熔點(diǎn)母材通過(guò)中間層與高熔點(diǎn)母材TLP連接示意圖。圖3-本發(fā)明第一階段高溫固態(tài)擴(kuò)散連接(恒壓)一個(gè)實(shí)施例工藝示意圖。圖4-本發(fā)明第一階段高溫固態(tài)擴(kuò)散連接(脈沖加壓)一個(gè)實(shí)施例工藝示意圖。其中，1-載荷；2-壓頭；3-石墨膏；4-鉭片；5-高熔點(diǎn)母材；6_中間層；7_恒定載荷；8-陶瓷片；9-低熔點(diǎn)母材。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的思路為兩異種材料間的熔點(diǎn)差值為40(T80(TC，熔點(diǎn)相對(duì)高的稱(chēng)之為高熔點(diǎn)母材，熔點(diǎn)相對(duì)低的稱(chēng)之為低熔點(diǎn)母材，采用熔點(diǎn)介于兩母材熔點(diǎn)之間的金屬材料作為中間層，針對(duì)性地采取兩步連接方法，在保證高熔點(diǎn)母材與中間層充分?jǐn)U散的同時(shí)，防止低熔點(diǎn)母材在焊接過(guò)程中發(fā)生熔化先利用高溫固態(tài)擴(kuò)散連接將中間層與高熔點(diǎn)母材進(jìn)行高溫固態(tài)擴(kuò)散連接(High-Temperature Solid-State Diffusion Bonding)，根據(jù)擴(kuò)散方程，元素的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著溫度升高呈指數(shù)提高，通過(guò)高溫固態(tài)擴(kuò)散連接工藝就能保證高熔點(diǎn)母材與中間層間元素充分發(fā)生相互擴(kuò)散，形成良好的冶金接合；然后在低于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)的焊接溫度條件下，利用低溫瞬間液相連接技術(shù)(Low-Temperature Transient Liquid-Phase (TLP) Bonding)，在低熔點(diǎn)母材與中間層間產(chǎn)生一定量的液相來(lái)實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)母材與中間層的焊合，TLP連接工藝能夠降低待焊表面制備的質(zhì)量要求，減少焊接時(shí)間并提高接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性，從而最終實(shí)現(xiàn)焊件間的有效連接。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為
1)第一階段-先利用固相擴(kuò)散焊將中間層6 —端與高熔點(diǎn)母材5焊合，焊接溫度高于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)溫度而低于中間層熔點(diǎn)溫度，如圖1所示。在較高焊接溫度條件下實(shí)施連接可以促進(jìn)高熔點(diǎn)母材與中間層間元素充分相互擴(kuò)散。為保證連接工藝過(guò)程實(shí)施，本步的焊接過(guò)程在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層和高熔點(diǎn)母材的外端各通過(guò)壓頭 2向中間施加載荷1，該載荷采用恒壓或脈沖加壓方式。高熔點(diǎn)母材5和對(duì)應(yīng)的壓頭2之間以及中間層6和對(duì)應(yīng)的壓頭2之間設(shè)有鉭片4以防止待焊材料與壓頭直接接觸，鉭片4的兩個(gè)工作面與對(duì)應(yīng)的結(jié)合部件間各設(shè)有潤(rùn)滑用石墨膏3。2)第二階段-低熔點(diǎn)母材9通過(guò)中間層6與高熔點(diǎn)母材5進(jìn)行低溫TLP連接。連接過(guò)程在低于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)溫度的條件下進(jìn)行，可以防止低熔點(diǎn)母材在焊接過(guò)程中發(fā)生熔化。利用低溫瞬間液相連接技術(shù)，在低熔點(diǎn)母材9與中間層6之間產(chǎn)生一定量的液相，液相金屬可填充縫隙，也使液相中的某些元素向母材擴(kuò)散，最后形成冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)母材9與高熔點(diǎn)母材5的有效連接。本步驟同樣在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層6和低熔點(diǎn)母材9結(jié)合面間通過(guò)陶瓷片8施加大小為0. 2^0. 5MPa的恒定載荷7，見(jiàn)圖 2。陶瓷片8用以防止待焊材料與載物臺(tái)和施加微弱載荷的器件直接接觸。本發(fā)明可用于實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)差值為40(T80(TC的異種金屬間或金屬與非金屬間的連接，利用高溫固態(tài)擴(kuò)散和低溫TLP復(fù)合連接技術(shù)，利于促進(jìn)接頭成分均勻化和提高連接強(qiáng)度。本發(fā)明第一階段所使用的固相擴(kuò)散焊和第二階段使用的TLP焊接方法與常規(guī)固相擴(kuò)散焊和TLP連接方法并無(wú)本質(zhì)不同。以下給出兩個(gè)具體實(shí)施例以幫助對(duì)本發(fā)明的理解。實(shí)施例1 利用分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫TLP復(fù)合連接方法以厚度為150 μ m的銅箔作為中間層焊接直徑為16mm的AZ31B鎂合金與304L不銹鋼異種材料。工藝參數(shù)為 高溫固態(tài)擴(kuò)散階段溫度為850° C，脈沖載荷為5 20MPa，時(shí)間為20分鐘；低溫TLP階段 溫度為495° C，外加載荷為0. 2MPa,時(shí)間為10分鐘。微觀分析結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了有效連接。實(shí)施例2 利用分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫TLP復(fù)合連接方法以厚度為150 μ m的銅箔作為中間層焊接直徑為16mm的5083鋁合金與304L不銹鋼異種材料。工藝參數(shù)為高溫固態(tài)擴(kuò)散階段溫度為850° C，脈沖載荷為5 20MPa，時(shí)間為20分鐘；低溫TLP階段溫度為555° C，外加載荷為0.2MPa，時(shí)間為5分鐘。微觀分析結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了有效連接。實(shí)施例3 利用恒定載荷高溫固態(tài)擴(kuò)散連接方法焊接直徑為16mm的TA17鈦合金與0Crl8Ni9Ti不銹鋼異種材料。第一階段的工藝參數(shù)為溫度為850° C，恒定載荷為 5MPa，保溫時(shí)間為10分鐘；升溫速度和降溫速度均為5° C/s，見(jiàn)圖3。微觀分析結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了有效連接。 實(shí)施例4 利用脈沖載荷高溫固態(tài)擴(kuò)散連接方法焊接直徑為16mm的TA17鈦合金與0Crl8Ni9Ti不銹鋼異種材料。第一階段的工藝參數(shù)為溫度為850° C，脈沖載荷為 5 20MPa，脈沖頻率為0. 5Hz，脈沖次數(shù)為300次，保溫時(shí)間為10分鐘；升溫速度和降溫速度均為5° C/s，見(jiàn)圖4。微觀分析結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了有效連接。
權(quán)利要求
1.一種分段式異種材料高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，其特征在于兩異種材料間的熔點(diǎn)差值為400 800°C，熔點(diǎn)相對(duì)高的稱(chēng)之為高熔點(diǎn)母材，熔點(diǎn)相對(duì)低的稱(chēng)之為低熔點(diǎn)母材，采用熔點(diǎn)介于兩母材熔點(diǎn)之間的金屬材料作為中間層，其連接步驟為1)先利用固相擴(kuò)散焊將中間層一端與高熔點(diǎn)母材焊合，焊接溫度高于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)溫度而低于中間層熔點(diǎn)溫度；2)然后在低于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)的焊接溫度條件下，利用瞬間液相連接技術(shù)將中間層另一端與低熔點(diǎn)母材連接，從而通過(guò)中間層實(shí)現(xiàn)兩異種材料間的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，其特征在于兩異種材料均為金屬或者一種為金屬，另一種為非金屬，非金屬為陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，其特征在于所述第1)步的焊接過(guò)程在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層和高熔點(diǎn)母材的外端各通過(guò)壓頭向中間施加載荷，該載荷采用恒壓或脈沖加壓方式；高熔點(diǎn)母材和對(duì)應(yīng)的壓頭之間以及中間層和對(duì)應(yīng)的壓頭之間設(shè)有鉭片，鉭片的兩個(gè)工作面各設(shè)有潤(rùn)滑用石墨膏。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分段式高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，其特征在于所述第2)步的連接過(guò)程在真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，并在中間層和低熔點(diǎn)母材結(jié)合面間通過(guò)陶瓷片施加大小為0. 2 0. 5MPa的恒定載荷。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分段式異種材料高溫固態(tài)擴(kuò)散/低溫瞬間液相復(fù)合連接方法，兩異種材料間的熔點(diǎn)差值為400~800℃，采用熔點(diǎn)介于兩母材熔點(diǎn)之間的金屬材料作為中間層，先利用固相擴(kuò)散焊將中間層一端與高熔點(diǎn)母材焊合，焊接溫度高于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)溫度而低于中間層熔點(diǎn)溫度；然后在低于低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)的焊接溫度條件下，利用瞬間液相連接技術(shù)將中間層另一端與低熔點(diǎn)母材連接。本發(fā)明可用于對(duì)物理、化學(xué)和冶金性能差異顯著的異種材料進(jìn)行連接，如異種金屬間或金屬與非金屬間的連接，特別能實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)差值達(dá)400~800℃的異種材料間的連接。
文檔編號(hào)B23K20/22GK102248274SQ20111017928
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉蒙恩, 李佳, 盛光敏, 羅軍, 袁新建, 趙國(guó)際 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)