TLP擴散連接動力學模型

1、第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議TLP擴散連接的動力學模型擴散連接的動力學模型 陳思杰陳思杰河南理工大學材料科學與工程學院河南理工大學材料科學與工程學院 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議一、研究對象、范疇一、研究對象、范疇 瞬時液相擴散連接（瞬時液相擴散連接（Transient liquid-phase bonding簡稱簡稱TLP）的模型與工藝，屬于）的模型與工藝，屬于材料科學的擴散與相變的理論范疇，傳統(tǒng)的工材料科學的擴散與相變的理論范疇，傳統(tǒng)的工藝強調(diào)的是材料在連接過程中通過降低熔點元藝強調(diào)的是材料在連接過程中通過降低熔點元素的擴散發(fā)生等溫凝固，實際研究中，

2、素的擴散發(fā)生等溫凝固，實際研究中，TLPTLP連連接的模型可以是非平衡的。例如，具有溫度梯接的模型可以是非平衡的。例如，具有溫度梯度的度的TLPTLP連接工藝模型，連接工藝模型， TLPTLP連接雙溫連接模連接雙溫連接模型，后兩種模型和傳統(tǒng)的瞬時液相擴散連接模型，后兩種模型和傳統(tǒng)的瞬時液相擴散連接模型有很大的區(qū)別。突破了傳統(tǒng)理論等溫凝固的型有很大的區(qū)別。突破了傳統(tǒng)理論等溫凝固的概念，用非平衡結(jié)晶理論來研究建立中間層液概念，用非平衡結(jié)晶理論來研究建立中間層液體結(jié)晶過程，改善凝固界面的形態(tài)和擴散過程，體結(jié)晶過程，改善凝固界面的形態(tài)和擴散過程，提高連接接頭的使用性能。提高連接接頭的使用性能。 第五屆

3、全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議 國外的研究概況：國外的研究概況： 20世紀世紀70年代初，年代初，Duall等人在研究鎳基高溫合金的等人在研究鎳基高溫合金的焊接時，提出了一種新型的連接技術(shù)焊接時，提出了一種新型的連接技術(shù)瞬時液相擴散連瞬時液相擴散連接技術(shù)，并且將該技術(shù)成功的應(yīng)用于接技術(shù)，并且將該技術(shù)成功的應(yīng)用于JT9D渦輪發(fā)動機的渦輪發(fā)動機的葉片焊接，焊接接頭有效率葉片焊接，焊接接頭有效率99.8%，實現(xiàn)了，實現(xiàn)了TLP連接技連接技術(shù)的實際應(yīng)用。至今已在鎳基、鈷基、氧化物彌散強化的術(shù)的實際應(yīng)用。至今已在鎳基、鈷基、氧化物彌散強化的高溫的連接中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著航空航天、空間技高

4、溫的連接中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著航空航天、空間技術(shù)、微電子、石油化工等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，新材料與術(shù)、微電子、石油化工等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，新材料與結(jié)構(gòu)不斷得到應(yīng)用，飛行器動力裝置、核能設(shè)備、壓力容結(jié)構(gòu)不斷得到應(yīng)用，飛行器動力裝置、核能設(shè)備、壓力容器與管道、電子封裝等重要結(jié)構(gòu)或部件，不僅要求具有高器與管道、電子封裝等重要結(jié)構(gòu)或部件，不僅要求具有高強度，還要求結(jié)構(gòu)具有良好的斷裂韌性、抗腐蝕性、耐磨強度，還要求結(jié)構(gòu)具有良好的斷裂韌性、抗腐蝕性、耐磨性以及耐高溫等性能，進一步促進了性以及耐高溫等性能，進一步促進了TLP連接技術(shù)的發(fā)展，連接技術(shù)的發(fā)展，TLP連接方法具有廣闊的工程應(yīng)用前景。在鋼材、有色

5、金連接方法具有廣闊的工程應(yīng)用前景。在鋼材、有色金屬、電子器件、先進陶瓷和異種材料的連接方面都有研究。屬、電子器件、先進陶瓷和異種材料的連接方面都有研究。二、國內(nèi)外研究進展二、國內(nèi)外研究進展第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議國內(nèi)國內(nèi)TLP連接方面的研究概況連接方面的研究概況1、北京航空材料研究院，李曉紅北京航空材料研究院，李曉紅 毛唯毛唯 郭萬林郭萬林 謝永慧謝永慧 等人主要對國內(nèi)等人主要對國內(nèi)自行研制第一代鎳基單晶高溫合金自行研制第一代鎳基單晶高溫合金DD3，第二代單晶合金，第二代單晶合金DD6進行過進行過渡液相擴散焊渡液相擴散焊(TLP擴散焊擴散焊)工藝進行了研究。工藝進行了研

6、究。2、東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室、東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 ，借鑒，借鑒TLP連接技連接技術(shù)在其它領(lǐng)域的最新研究進展，提出利用術(shù)在其它領(lǐng)域的最新研究進展，提出利用4045鋁合金為中間層材料，鋁合金為中間層材料，采用軋制復(fù)合的方法生產(chǎn)不銹鋼采用軋制復(fù)合的方法生產(chǎn)不銹鋼-3003鋁合金復(fù)合板的新工藝。鋁合金復(fù)合板的新工藝。3、哈爾濱工業(yè)大學焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室，許志武、哈爾濱工業(yè)大學焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室，許志武、 閆久春等閆久春等人研究了鋁基復(fù)合材料瞬問液相擴散焊接（人研究了鋁基復(fù)合材料瞬問液相擴散焊接（TLP）接頭金相組織。錢）接頭金相組織。錢乙余

7、馮吉才何鵬等人對乙余馮吉才何鵬等人對TiAl與與40Cr鋼之間的擴散連接進行了研究。鋼之間的擴散連接進行了研究。4、北京航空航天大學機械工程學院，曲文卿、北京航空航天大學機械工程學院，曲文卿 、莊鴻壽、莊鴻壽、 張彥華等對張彥華等對SiC顆粒增強顆粒增強A1基復(fù)合材料與基復(fù)合材料與A1合金的合金的TLP擴散連接試驗，對異種材擴散連接試驗，對異種材料料TLP擴散連接過程存在的非對稱性進行了深入的研究，并對異種材擴散連接過程存在的非對稱性進行了深入的研究，并對異種材料料TLP擴散連接過程的等溫凝固動力學進行了數(shù)學建模。擴散連接過程的等溫凝固動力學進行了數(shù)學建模。5、清華大學機械系鄒貴生、清華大學機

8、械系鄒貴生 、吳愛萍等研究了、吳愛萍等研究了Ti/Ni/Ti復(fù)合層復(fù)合層TLP擴散連擴散連接接Si3N4陶瓷的機理。陶瓷的機理。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議三、三、 TLPTLP連接連接模型簡介模型簡介 1 1、TLP 與與TG-TLP簡介簡介 TLP連接原理是將某種中間層合金置入連接界面，加熱至連接溫連接原理是將某種中間層合金置入連接界面，加熱至連接溫度，中間層含有降熔元素（度，中間層含有降熔元素（MPDMPD）發(fā)生熔化或者由于與基體相互作用，）發(fā)生熔化或者由于與基體相互作用，在連接界面間形成液態(tài)薄膜。在隨后的保溫過程中，中間層合金與基在連接界面間形成液態(tài)薄膜。在隨后的

9、保溫過程中，中間層合金與基體發(fā)生元素擴散，因而成分改變，熔點升高，在連接溫度下發(fā)生等溫體發(fā)生元素擴散，因而成分改變，熔點升高，在連接溫度下發(fā)生等溫凝固，實現(xiàn)連接過程。凝固，實現(xiàn)連接過程。 近年來在連接工藝上也在不斷發(fā)展，例如劍橋大學的近年來在連接工藝上也在不斷發(fā)展，例如劍橋大學的A.A.Shirzadi與與E.R.Wallach提出了一種提出了一種“帶有溫度梯度的帶有溫度梯度的TLPTLP擴散焊擴散焊( (Temperature gradient-transient liquid-phase bonding 簡稱簡稱TG-TLP)”)”的新工藝，突破了傳統(tǒng)的的新工藝，突破了傳統(tǒng)的TLPTLP擴

10、散連接慣用的連接區(qū)溫度均勻分布的擴散連接慣用的連接區(qū)溫度均勻分布的束縛，其優(yōu)點在于可使最終凝固所得的界面由經(jīng)典束縛，其優(yōu)點在于可使最終凝固所得的界面由經(jīng)典TLPTLP連接情況下所連接情況下所得的平面狀變?yōu)榉瞧矫鏍畹玫钠矫鏍钭優(yōu)榉瞧矫鏍? (正弦狀或胞狀正弦狀或胞狀) )，增加了沿非平面狀界面上，增加了沿非平面狀界面上的金屬的金屬- -金屬之間的接觸面積；將殘留的難熔氧化物粒子在接合線金屬之間的接觸面積；將殘留的難熔氧化物粒子在接合線( (bondline) )上分布由傳統(tǒng)上分布由傳統(tǒng)TLP工藝下的平直狀改善為正弦狀或胞狀分工藝下的平直狀改善為正弦狀或胞狀分布。這樣與傳統(tǒng)布。這樣與傳統(tǒng)TLP連接

11、相比，提高了接頭的剪切強度，并避免了接連接相比，提高了接頭的剪切強度，并避免了接頭質(zhì)量的隨機波動?？梢垣@得比傳統(tǒng)工藝更好的組織和性能頭質(zhì)量的隨機波動?？梢垣@得比傳統(tǒng)工藝更好的組織和性能 。第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議2、TLP等溫凝固的的傳統(tǒng)模型圖圖1 TLP連接的連接的 傳統(tǒng)模型傳統(tǒng)模型第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議3、TG-TLP連接模型中過冷度的形成連接模型中過冷度的形成 C0-遠離界面的液體成分遠離界面的液體成分 k-溶質(zhì)分配系數(shù)溶質(zhì)分配系數(shù) V-界面移動速度界面移動速度 D-液體中液體中溶質(zhì)擴散系數(shù)溶質(zhì)擴散系數(shù) 圖圖2、TG-TLP連接模型過冷度

12、形成示意圖連接模型過冷度形成示意圖第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議4、 TLP 與TG-TLP連接過程比較TLP 與TG-TLPTLP 與TG-TLP圖3 TLP 與TG-TLP連接過程示意圖第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議5、存在的問題及雙溫、存在的問題及雙溫TLP連接模型的提出連接模型的提出 TLP擴散連接過程中，中間層熔化階段和液相均勻化階段都是接擴散連接過程中，中間層熔化階段和液相均勻化階段都是接頭區(qū)域（母材和中間層）熔化為液相的過程，從擴散本質(zhì)上講，是溶頭區(qū)域（母材和中間層）熔化為液相的過程，從擴散本質(zhì)上講，是溶質(zhì)在固相區(qū)的擴散過程，受固相擴散速度的控

13、制。質(zhì)在固相區(qū)的擴散過程，受固相擴散速度的控制。中間層熔化后，有中間層熔化后，有害的難溶氧化物顆粒和雜質(zhì)混在液相中，在等溫凝固過程中，由于溶害的難溶氧化物顆粒和雜質(zhì)混在液相中，在等溫凝固過程中，由于溶質(zhì)的重新分布，這些雜質(zhì)分布在凝固界面的前沿。等溫凝固完成后，質(zhì)的重新分布，這些雜質(zhì)分布在凝固界面的前沿。等溫凝固完成后，大部分雜質(zhì)在接頭中心處聚集，影響金屬之間的連接。因此，接頭的大部分雜質(zhì)在接頭中心處聚集，影響金屬之間的連接。因此，接頭的剪切強度比相應(yīng)母材的要低。另外，氧化物雜質(zhì)分布形成的平滑連接剪切強度比相應(yīng)母材的要低。另外，氧化物雜質(zhì)分布形成的平滑連接線降低接頭的強度線降低接頭的強度2323

14、。在凝固過程中，通過凝固理論和技術(shù)，研究在凝固過程中，通過凝固理論和技術(shù)，研究控制液固界面的形狀和推進方式是改善接頭性能的重要研究課題。在控制液固界面的形狀和推進方式是改善接頭性能的重要研究課題。在傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的TLP擴散連接理論和模型的基礎(chǔ)上，建立新的擴散連接理論和模型的基礎(chǔ)上，建立新的TLP擴散連接模擴散連接模型，對于型，對于TLP擴散連接理論的發(fā)展具有重要的意義。擴散連接理論的發(fā)展具有重要的意義。TG-TLP連接工連接工藝模型取得了很大的突破，但存在溫度梯度難于控制的問題。藝模型取得了很大的突破，但存在溫度梯度難于控制的問題。 TLP 擴散連接雙溫模型，具有容易控制，用非平衡結(jié)晶理論來研擴

15、散連接雙溫模型，具有容易控制，用非平衡結(jié)晶理論來研究中間層液體結(jié)晶過程，改善凝固界面的形態(tài)，提高連接接頭的使用究中間層液體結(jié)晶過程，改善凝固界面的形態(tài)，提高連接接頭的使用性能。性能。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議6、瞬時液相擴散連接雙溫模型簡介瞬時液相擴散連接雙溫模型簡介 （1）基本設(shè)想）基本設(shè)想 TLP連接過程中，中間層的熔化和等溫凝固過程的控連接過程中，中間層的熔化和等溫凝固過程的控制是連接成功的關(guān)鍵，等溫凝固過程是降熔元素擴散的過制是連接成功的關(guān)鍵，等溫凝固過程是降熔元素擴散的過程，如果等溫凝固沒有完成就降溫冷卻，會造成連接部位程，如果等溫凝固沒有完成就降溫冷卻，會造

16、成連接部位的硼、硅等降熔元素含量過高，形成脆性化合物。如果中的硼、硅等降熔元素含量過高，形成脆性化合物。如果中間層熔化后降低一定溫度，即造成一定的成分過冷，使等間層熔化后降低一定溫度，即造成一定的成分過冷，使等溫凝固在一定的過冷度下進行，既可以消除高溫下長時間溫凝固在一定的過冷度下進行，既可以消除高溫下長時間保溫對基體的不利影響，還可以提高等溫凝固的形核率，保溫對基體的不利影響，還可以提高等溫凝固的形核率，提高焊縫力學性能。因此，設(shè)想在傳統(tǒng)提高焊縫力學性能。因此，設(shè)想在傳統(tǒng)TLP連接工藝的基連接工藝的基礎(chǔ)上，為了使中間層充分熔化，提高潤濕性，可以先加熱礎(chǔ)上，為了使中間層充分熔化，提高潤濕性，可

17、以先加熱到接近基體熔點的高溫使中間層熔化，然后快速冷卻到一到接近基體熔點的高溫使中間層熔化，然后快速冷卻到一個較低的溫度下進行等溫凝固。等溫凝固結(jié)束后，冷卻到個較低的溫度下進行等溫凝固。等溫凝固結(jié)束后，冷卻到室溫完成連接過程。室溫完成連接過程。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議（2）傳統(tǒng)傳統(tǒng)TLP工藝模型的液固界面濃度分布工藝模型的液固界面濃度分布圖圖4 傳統(tǒng)傳統(tǒng)TLP 連接界面濃度分布連接界面濃度分布第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議雙溫模型過冷度的形成與凝固機理 圖5 雙溫工藝過冷度的形成雙溫工藝過冷度的形成第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議四、

18、試驗條件與結(jié)果1、TLP擴散連接試驗機 圖圖6 TLP擴散連接試驗機擴散連接試驗機第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議2 實際連接過程與試樣實際連接過程與試樣 圖圖7 實際連接過程和試樣實際連接過程和試樣第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議3 不同模型連接的組織對比圖8 TG-TLP與TLP接頭顯微組織對比Fig. 8 A comparison of aluminium alloy（6082）joint of TLP and TG-TLP. (a) TLP-bonded; (b) TG-TLP bonded第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學術(shù)會議 T91鋼不同鋼不同TLP工藝焊接接頭工藝焊接接頭 T91鋼不同TLP工藝焊接接頭SEM圖像比較 (a) TS-TLP-bonded; (b) TLP bonded Fig.10 A comparison of SEM of T91 steel TLP bonded joint under different process 圖9 T91鋼不同TLP工藝焊接接頭SEM圖像比較 (a) TS-TLP-bonded; (b) TLP bondedFig.9 A comparison of SEM of T91 steel TLP bonded joint under different pro