TLP扩散连接的动力学模型解析
钛-铝扩散焊及接头拉伸性能的分子动力学模拟
钛-铝扩散焊及接头拉伸性能的分子动力学模拟汤富领;周君;包宏伟;路文江;芮执元【摘要】利用分子动力学软件LAMMPS模拟钛-铝扩散焊过程,分析700 K,50 MPa时接触表面附近钛原子和铝原子扩散情况,并对不同冷却速率下的过渡层结构进行分析,发现过快的冷却速率导致过渡层结构的非晶化.同时,研究接触表面粗糙度对扩散的影响.结果表明:表面粗糙度是影响扩散过程的重要因素.对扩散后试样在不同应变率下进行拉伸测试,研究接头力学性能,发现高应变率下拉伸性能要好于低应变率下的拉伸性能,拉伸时,钛部分的变形机制为李晶,铝部分的变形机制为滑移,接头屈服强度为相同尺寸单晶钛的62％左右,单晶铝的74％左右.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】分子动力学;扩散焊;表面粗糙度;拉伸性能【作者】汤富领;周君;包宏伟;路文江;芮执元【作者单位】兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG115.28钛(Ti)、铝(Al)合金由于其低密度、高导电性、高比强度和刚度等性能,广泛应用于电子,汽车,航天航空等行业,因此钛、铝合金的连接问题是不可避免的,可以说钛、铝合金的连接技术是推广其应用的关键技术之一[1].采用传统的熔化焊接方法无法很好地连接钛、铝合金,而扩散焊可以很好地解决熔焊存在的问题[2].扩散焊是在一定温度、一定压力下,经过焊接区原子充分的相互扩散以及塑性变形,或者在界面产生微量液相而实现结合的焊接方法[3].几乎所有具有相同的化学和冶金性能的材料都可以用扩散焊的方法连接.扩散焊还有工艺简单,工艺参数易控制,易于实现大断面接头等焊接优点[4].近年来,钛、铝合金的扩散焊在实验上已经有了大量研究[5-8],但在原子尺度上的研究还鲜见报道,刘浩[9]等人采用分子动力学方法对铜-铝试样进行了扩散焊模拟；S.D.Chen和A.K.Soh[10-11]等人对铜-银、铜-铝金属进行了扩散焊的分子动力学研究,主要分析了冷却速率、表面形貌对扩散焊过渡层厚度的影响,并对焊后的试件进行力学性能模拟,认为温度和压强是影响扩散焊过渡层厚度的2个关键因素.Weissmann等人对Co-Zr系统在高温下界面的非晶化发展进行分子动力学的模拟,与其类似的研究还有Ni-Cr,Cu/Ta和SiO2/Si等系统[12].此外,佘武昌等人对CoSb3/Ti界面原子扩散进行分子动力学模拟[13].对于金属力学性能的分子动力学模拟,已经有很多人进行研究[14-15],李晓燕[16]等研究纳米孪晶铜的拉伸性能,然而对于不同结构金属的扩散焊进行的原子层面的研究,还鲜见报道,本文将利用分子动力学的方法,采用LAMMPS软件包[17],对密排六方结构 (HCP) 的金属钛和面心立方 (FCC) 的金属铝扩散焊过程进行模拟,并考察接头的拉伸性能.分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟是一种常用的原子模拟方法[18],作为实验的一个辅助手段,常用来分析材料力学与热学特性的计算,该方法首先需要建立系统内一组分子的运动方程,然后通过求解所有粒子运动和时间离散的运动方程,来研究该体系与微观量相关的基本过程.在MD模拟中,最简单的运动方程可以由牛顿定律导出,与实际实验过程相比,MD模拟方法具有相似的步骤.MD模拟的计算过程可以分为:首先建立一个由N个原子组成的初始体系；然后求解该体系的牛顿运动方程直至平衡,平衡后计算所要测试的性能；最后对所计算得到的结果进行输出,对结果进行分析.MD模拟只考虑多体系中原子核的运动,而对电子的运动不予考虑,量子效应忽略,在MD模拟中,需要考虑的因素有:初始条件的设定;为保证可靠性而进行的各种方案;使用合适的数值积分方法;运动轨迹对初始条件及其他选择的敏感性;满足大计算量的要求;图形显示和数据分析等.和其他一些常用的模拟方法如第一性原理计算和有限元方法相比,第一性原理计算所模拟的体系原子数最大只能达到几百个;有限元模拟的对象是连续体[19],只能对宏观的物理过程进行模拟,无法对微观过程进行分析.而分子动力学能够模拟大尺度体系(原子数最大可以达到10亿级别)中原子的运动情况,和有限元方法相比,具有较高的精度,和第一性原理计算方法相比,又具有较高的效率[20].利用分子动力学对扩散问题进行研究时,用来分析原子运动轨迹随时间变化的平均统计—均方差(mean squared displacement,MSD )可以得到体系的扩散系数等动态信息,其基本原理是通过分子动力学记录一定温度下粒子的动态演变过程,得到粒子的瞬时坐标,求解微分方程,确定均方差:其中,rn(t)为t时刻的原子位置,通过均方差,可以计算得到扩散系数:即扩散系数为均方差斜率的1/6.此外,分子动力学模拟中,势参数的拟合是最困难也是最关键的,嵌入势 (embedded atom method,EAM)是使用很广泛且比较精确的适用于金属的势参数,本文采用由R.R.Zope 和Y.Mishin’s提供的势参数.对于EAM势参数,体系的总能量为其中,φ(rij)表示二体势,rij表示两个原子间的距离,F(ρi)是两个原子的嵌入能,ρi是其他所有原子在i位置的电子密度.该势参数模型非常稳定,模拟的钛和铝的晶格常数、弹性模量、剪切模量以及原子能量与实验值符合得很好,可以精确到小数点后3位[21].建立模型时,Ti和Al的接触表面为理想表面,对于HCP 结构的Ti,晶格常数为:aTi=2.953×10-1nm,cTi=4.68×10-1nm,对于FCC结构的Al,晶格常数为:aAl=4.05×10-1nm.Ti的超胞大小为30aTi×30aTi×25cTi,Al的超胞大小为22aAl×22aAl×25aAl,其中,x、y、z坐标轴分别对应Al的[100]、[010]、[001]晶向.图1a所示为Ti-Al系统的初始构型,其中Ti原子个数约为43 470个,Al原子个数约为49 368个.采用的边界条件为xy方向周期边界条件.模拟时先将初始构型在1 K下弛豫200 000步,采用Nose-Hoover控温方法进行等温控制,时间步长为0.001 ps,图1b所示为Ti-Al系统在弛豫时的原子能量图,可以看出在100 000步以后,原子的能量趋于稳定.扩散时先将Ti和Al进行位移控制,使其接触,然后在50 MPa 压强下将系统升温到700 K,保温200 ps,保温过程中,考虑到要在z轴方向控制压力,本文采用了NVT(正则系统),扩散后以不同的冷却速率冷却到300 K.最后在300 K下,对扩散后的Ti-Al系统在z轴方向以不同的应变率进行拉伸,并对相同尺寸的单晶Ti和Al进行同等条件下的单轴拉伸.计算过程中,所选择的的数值积分方法为Verlet算法.图2是沿着z轴截取的Ti-Al系统部分构型图(接触表面均为理想表面),其中虚线为Ti和Al接触界面的区分线.图2a为50 MPa,700 K下保温10 ps时的构型,图2b 为50 MPa,700 K下保温200 ps 时的构型.在Ti-Al扩散焊的实际实验当中,压力多选用10～20 MPa,在初期确定参数时,选用10、20、30、40、50 MPa压力条件下进行了模拟,但当采用较低的压力进行扩散焊接时,原子发生扩散比较困难,而在较高压力(50 MPa)下加压时,界面处的晶格畸变变大,这些区域内原子的能量大大增加,使其具有较高的跳跃频率,因此原子较容易发生扩散,但此时Al并未发生屈服现象,这是因为在模拟中,Ti-Al系统的模型均为纳米尺寸的单晶,与实际试验当中的合金相比,其力学性能要优异许多.从计算结果可以看出,在室温下,Ti和Al刚刚接触时,并没有发生扩散,当系统从300 K升温到700 K后,保温一段时间后开始扩散,如图2所示.可以看出,扩散时,主要是界面附近的Ti 原子向Al 扩散,而同时Al原子很少向Ti 扩散.此时接触表面附近Al的面心立方结构基本被破坏,Al-Al键断裂,Ti的密排六方结构基本保持不变,这说明Ti-Ti键不易断裂.为了分析界面附近的结构变化,对界面附近的结构进行了键角分析,如图2c所示,其为图2b结构放大后的键角分析表征示意图,其中,上层原子为密排六方结构(HCP)的Ti原子,下层原子为面心立方结构(FCC)Al原子,中间层与其他原子为无序化结构的原子,可以看到,靠近界面的Al部分呈现出无序化机构,这说明,此时Al的晶体结构已被破坏,Al-Al键发生断裂,而Ti部分晶体结构保持较为完整,这是因为Ti的熔点(1 678 ℃)远高于Al(660 ℃)的熔点,所以,扩散过程中Al的结构发生较大变化,因此Ti原子向Al侧扩散较多.与实际实验相比,MD中由于计算能力的限制,冷却速率比较大,只能控制在1010~1013K/s,经过200 ps 的保温后,选择的冷却速率分别为:2×1010、2×1012、9×1013K/s,如此高的冷却速率使得原子被瞬间冻结,来不及发生结构变化,图2d所示为利用键角分析方法对以2×1012K/s的冷却速率冷却到室温时的结构进行分析后的示意图,可以看到，中间结合层内形成了非晶.而在实际扩散焊实验当中,冷却速率较低,因此在中间过渡层当中形成了金属间化合物.图3为Ti和Al的原子浓度图,一般规定2种原子均超过5%的区域为过渡层,可以看出,此时,在Ti和Al接触的表面有一个过渡层.扩散焊实验中,虽然试样表面经过打磨抛光,但并非完全几何平面,理想表面在实际当中是不存在的,因此接触界面总会存在微观不平的状态,所以有必要考察系统接触表面的粗糙度对扩散的影响.一般而言,实际当中扩散连接过程分为3个过程:1)物理接触阶段.这一阶段,压力起主要作用,在温度和压力作用下,某些微凸区域开始变形,随着压力的持续作用,接触面积逐渐增大,直至达到整个接触面的可靠接触. 2)接触面的原子发生扩散,逐渐消除上一阶段所遗留的孔洞,形成焊缝.3)在接触部分形成结合层,原子扩散向纵深发展,随着扩散的进行,原始界面完全消失,残留的微孔也消失,最终成分趋于均匀,形成可靠的连接接头.为了考察界面孔洞对Ti-Al扩散焊过程的影响,建立了不同表面粗糙度的初始Ti-Al 构型.图4为不同表面粗糙度的Ti-Al系统在扩散焊不同时刻的构型图,图4a中,Ti 表面为理想表面,Al表面为粗糙表面；图4b中,Ti表面为粗糙表面,Al表面为理想表面；图4c中,Ti表面和Al表面均为粗糙表面.其中各分图中5个图分别为Ti-Al 系统初始构型；刚刚接触时的构型；开始升温(700 K),加压(50 MPa)时的构型；恒温恒压200 ps后的构型；冷却到室温时的构型.在构造模型的时候,接触表面中构建了2~3个凸起部分,以模拟在实际焊接过程中接触表面的凹凸现象.可以看出,当Al表面开始和Ti表面接触时,凸起部分首先发生塑性变形,随着压力的持续作用,接触表面积增大,然后在温度的作用下,接触面的面积增大,Ti原子和Al原子扩散,扩散的3个过程并没有明显的界限.当Al表面为粗糙表面时,Al和Ti原子发生的扩散较少,当Ti表面为粗糙表面时,Al和Ti原子发生互相扩散.而当Al和Ti表面均为粗糙表面时,Al和Ti原子扩散量最大.这是因为表面微小的孔洞破坏Ti的晶体结构,增加了表面应力,图5所示为理想表面接触与粗糙表面接触时界面附近原子的能量分布图,可以看出,由于比表面积的增大,粗糙表面能量较高的区域面积增大,所以在孔洞附近,造成比较大的应力集中和晶格畸变,此时Ti-Ti键变得较易断裂,因此,此时Ti原子也发生了扩散.由此可以得出,表面粗糙程度是影响Ti-Al扩散焊连接质量的关键因素.为了考察Ti-Al系统扩散焊后接头的力学性质,在室温下,利用分子动力学模拟方法对Ti-Al扩散焊后的试样以不同的应变率进行单轴拉伸测试,并在同等条件下,对同样尺寸的单晶Ti和Al进行拉伸,然后进行对比.在分子动力学模拟中,每个原子的应力张量由6个方向的向量分量组成,分别为:xx,yy,zz,xy,xz,yz,但是由于单个原子的体积难以精确计算,但整个系统的所有原子数(N)与体积(V)可以精确求得,因此,可以将整个系统中所有原子的同一方向的应力张量相加,然后平均给每个原子,所以,整个系统在z方向的应力可以由以下公式给出:应变可以由以下公式给出:图6a为Ti-Al扩散焊后以不同应变率拉伸时的应力-应变曲线,图 6b为Ti-Al扩散焊后的试样与同样尺寸的单晶Ti和Al在0.004 ps-1应变率下拉伸时的应力-应变曲线.从图中可以看出,当应变率从0.004 ps-1降低到0.000 4 ps-1时,Ti-Al扩散焊后的试样屈服强度从7.59 GPa降低到6.51 GPa,屈服应变也从0.07降低到0.05.从应力-应变曲线来看,在初始变形阶段,应力-应变曲线基本重合,随着应力的继续增大,低应变率下的应力-应变曲线发生突降,试样断裂,而高应变率下,应力继续增大,应力突降的程度也小于低应变率时的情况.可见,应变率是影响拉伸性能的关键因素,这是因为对于单晶而言,应变率决定了金属在拉伸时候位错响应的灵敏度,所以在高应变率下的屈服强度与屈服应变通常要高于低应变率下的屈服强度.对于同样尺寸的单晶Ti和Al拉伸时得应力-应变曲线,单晶Ti的屈服强度12.23 GPa,屈服应变为0.14,Al的屈服强度为10.21 GPa,屈服应变为0.29,扩散焊后的Ti-Al试样屈服强度为单晶钛的62%左右,单晶铝的74%左右,且其屈服应变小于单晶Ti和Al的屈服应变.对于金属的变形而言,主要是滑移与孪晶的竞争机制,对于HCP结构的单晶Ti而言,拉伸时的变形机制为孪晶,这是因为HCP晶体中,滑移系较少,滑移不易发生,这样就通过孪晶变形区域的晶体取向改变使得变形能够进行.而FCC结构的单晶Al,滑移系较多,所以在拉伸时的变形机制主要是位错沿着原子密排面{111}面的滑移,而对于Ti-Al扩散焊后的试样而言,首先在Ti中出现孪晶,此时Al 还未出现滑移线,当继续拉伸时,Ti中孪晶消失,Al中开始出现滑移线,且试样表面有明显的台阶产生.图7所示为通过共同近邻分析方法(CNA)表征的原子构型图,可以清楚地观察出孪晶与滑移线.而由于过渡层阻碍了孪晶与滑移的运动,所以其屈服强度与屈服应变要小于单晶Ti和Al的.钛-铝扩散焊及接头拉伸性能的动力学模拟表明,扩散过程中主要为Ti原子向Al扩散；降温速率对于过渡层的结构有重要影响,当降温速度过快时,会导致过渡层结构的非晶化；Ti和Al接触表面的粗糙程度是影响焊接过程的重要因素,当Ti与Al接触表面均粗糙时,扩散量最大；扩散焊后的Ti-Al试样拉伸时,Ti中变形机制为孪晶,Al中变形机制为滑移,且由于过渡层阻碍,试样屈服强度与屈服应变虽然小于单晶Ti和Al,但仍然具有较好的拉伸性能.【相关文献】[1] XU L,CUI Y Y,HAO Y L,etal.Growth of intermetallic layer in multi-laminated Ti/Al diffusion couples [J].Materials Science and Engineering A,2006(435/436):638-647.[2] SOHN W H,BONG H H,HONG S H.Microstructure and bonding mechanism of Al/Ti bonded joint using Al-/10Si-/1Mg filler metal [J].Materials Science and EngineeringA,2008,35(12):2036-2047.[3] 任家烈,吴爱萍.先进材料的连接 [M].北京:机械工业出版社,2000.[4] 毕建勋.Ti-Al与钛合金的扩散连接研究 [D].北京:北京理工大学,2006.[5] 李亚江,GERASIMOV S A,王娟,等.Ti/Al异种材料真空扩散焊及界面结构研究 [J].材料科学与工艺,2007,15(2):206-210.[6] DUARTEA L I,RAMOSB A S,VIEIRAA M F,etal.Solid-state diffusion bonding of gamma-TiAl alloys using Ti/Al thin films as interlayers [J].Intermetallics,2006,14(10/11):1151-1156.[7] HERRMANN D,APPEL F.Diffusion bonding ofγ(TiAl) alloys:influence of composition,microstructure,and mechanical properties [J].Metallurgical and Materials Transactions A,2009,40(8):1881-1902.[8] XUE Zhiyong,HUANG Yuanxun,WANG Yongtian,ser remelting effect on the joint property of diffusion bonding of TiAl intermetallics and TC4 alloy [C]//Diffusion welding of γ-TiAl based alloys through nano-layered foil of Ti/Al system.Beijing:North China Electric Power University,2013:77-84.[9] 刘浩,柯孚久,潘晖,等.铜-铝扩散焊及拉伸的分子动力学模拟 [J].物理学报,2007,56(1):407-412.[10] CHEN S D,SOH A K,KE F J.Molecular dynamics modeling of diffusion bonding [J].Scripta Materialia,2005,52(11):1135-1140.[11] CHEN S D,KE F J,ZHOU M,etal.Atomistic investigation of the effects of temperature and surface roughness on diffusion bonding between Cu and Al [J].Acta Materialia,2007(55):3169-3175.[12] KOH S J,LEE H P.Molecular dynamics simulation of size and strain rate dependent mechanical response FCC metallic nanowires [J].Nanotechnology,2006,17(14):51-67.[13] 佘武昌.CoSb3/Ti界面原子扩散的分子动力学研究 [D].武汉:武汉理工大学,2012.[14] XU D S,WANG H,YANG R,etal.Molecular dynamics investigation of deformation twinning in γ-TiAl sheared along the pseudo-twinning direction [J].ActaMater,2008,56(5):1065-1074.[15] JANG D,LI X,GAO H,etal.Deformation mechanisms in nanotwinned metal nanopillars [J].Nature Nanotechnology,2012,7(9):594-601.[16] LI X Y,WEI Y J,LU K,etal.Dislocation nucleation governed softening and maximum strength in nano-twinned metals [J].Nature,2010(464):877-880.[17] 李伯杨,聂峰光,李晓霞,等.GPU并行计算集群上的LAMMPS分子动力学模拟性能测试 [J].计算机与应用化学,2011,28(10):1230-1232.[18] 路文江,包宏伟,汤富领,等.纳米线高应变率拉伸超塑性 [J].兰州理工大学学报,2015,41(1):16-20.[19] 李维学,焦琨,戴剑锋,等.碳纳米管增强AZ91D复合材料微区应力场的有限元模拟 [J].兰州理工大学学报,2010,36(2):162-164.[19] 张跃,谷景华,尚家香,等.计算材料科学基础 [M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.[20] ZOPE R R,MISHIN Y.Interatomic potentials for atomistic simulations of the Ti-Al system [J].Phys Rev B,2003,68(2):024102-024150.。
管道的瞬时液相扩散焊(TLP)焊机研究的开题报告
管道的瞬时液相扩散焊（TLP）焊机研究的开题报告一、选题背景管道是各行业中广泛应用的构件，其质量和安全性关系到许多生产和生活中的领域，如石油化工、天然气、食品、医疗等。
管道的连接方式也是关键，通常采用焊接方法，以达到稳定的连接和抗压能力。
瞬时液相扩散焊（TLP）焊接是一种新型的管道连接方法，与传统的手工焊接和自动焊接相比，它能够提高焊接质量和效率，缩短焊接时间，降低能源和物料消耗，同时可以减小焊缝的显微组织和应力，增强管道的耐腐蚀性和耐疲劳性。
因此，研究管道的瞬时液相扩散焊（TLP）焊机是非常有意义和必要的。
二、研究目的本研究的目的是设计和制作一台瞬时液相扩散焊（TLP）焊机，并对其进行实验测试和比较分析。
具体来说，我们将在以下几个方面进行研究：1. 通过理论分析和仿真计算，确定瞬时液相扩散焊（TLP）焊接的最佳参数，包括温度、时间、压力和振动等。
2. 设计和制作瞬时液相扩散焊（TLP）焊机，并测试其效果和性能，如焊接质量、熔池形态、合金成分、扩散区域等。
3. 与传统手工焊接和自动焊接进行比较，分析瞬时液相扩散焊（TLP）焊接的优缺点，包括质量、成本、时间、安全等方面。
三、研究内容本研究将采用以下方法和步骤：1. 文献综述：在国内外文献中查阅和评估瞬时液相扩散焊（TLP）焊接的现状和发展，总结其工艺和应用特点，确定本研究的重点和难点。
2. 理论分析：以瞬时液相扩散焊（TLP）焊接为基础，综合考虑液相的扩散和反应规律，建立瞬时温度场和熔池形态模型，以及焊缝质量和强度计算方法等。
3. 设计制作：根据理论分析的结果，设计和制作瞬时液相扩散焊（TLP）焊机，包括机械部分、热源部分、控制部分等，保证其可靠性和稳定性。
4. 测试实验：通过实验测试，对瞬时液相扩散焊（TLP）焊机的性能和效果进行验证和比较，涉及焊接质量、熔池形态、扩散区域、合金成分、硬度和拉伸强度等指标。
5. 分析评价：结合理论计算和实验测试结果，对瞬时液相扩散焊（TLP）焊接的优缺点和应用前景进行综合评价和分析，提出改进和优化建议。
IC10合金TLP扩散焊技术
98航空制造技术·2011 年第 23/24 期FORUM OF THE YEAR年度论坛Liquid Phase ，TLP）扩散焊技术[6]研究，研制专用中间层，分析接头组织变化规律及其与接头强度的关系，实现TLP 扩散焊技术在IC10合金导向叶片的工程应用。
试验材料及方法选择1 试验材料试验材料选用Ni 3Al 基合金IC10，并采用定向凝固方法铸造，IC10合金的名义化学成分如表1所示。
铸态IC10合金主要由γ相及γ′相组成，在枝晶间的γ′相大多为0.1~0.3μm 的立方体形和尺寸大于10μm 的大块不规则形，枝晶干的γ′相尺寸为1~3μm 的不规则形和0.1~0.3μm 的立方体形，γ相呈网状IC10合金TLP 扩散焊技术中航工业北京航空制造工程研究所 侯金保 吴 松 滕俊飞 魏友辉中国人民解放军驻黎阳机械公司军事代表室 赵 科中航工业贵州新艺机械厂 雷 强本文针对Ni 3Al 基合金IC10进行过渡液相扩散焊技术研究，研制专用中间层，分析接头组织变化规律及其与接头强度的关系，实现TLP 扩散焊技术在IC10合金导向叶片的工程应用。
TLP Diffusion Welding Technology of IC10 Alloy航空科学技术的发展，促使航空发动机性能不断提高，具体体现在航空发动机朝高温、轻量化方向发展。
目前用于制造航空发动机热端部件的高温合金无法满足高推比发动机耐温性能的要求，于是开展了Ni 3Al基金属间化合物材料等新型高温材料的研究。
由于Ni 3Al 金属间化合物原子的长程有序结构和原子间金属键及共价键共存[1]，使其具有熔点侯金保研究员，主要从事新材料和新结构的钎焊与扩散焊技术研究和新焊料设计研制。
申报国防专利4项，曾获国防科技进步三等奖、部科技进步二等奖和三等奖。
高、密度小、抗氧化性好和耐温强度高等特性，在高性能航空发动机中有很好的应用前景。
微量硼元素可显著提高Ni 3Al 的室温塑性，采用γ相可使Ni 3Al 的强度和韧性同时提高，高熔点元素Mo、Co、W、Ta 等可对γ相和γ′相起固溶强化作用[2-3]，现在研制出的Ni 3Al 基双相合金性能显著提高，达到了飞机发动机应用要求。
铝基复合材料瞬间液相扩散焊接(TLP)接头金相组织
铝基复合材料瞬间液相扩散焊接(TLP)接头金相组织
许志武;闫久春;于捷
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】2004(000)001
【摘要】@@ 为适应现代科学技术及时代发展的要求,各种新材料不断涌现,新材料的连接对焊接技术的发展提出了越来越高的要求.焊接质量的保证才能使各种构件得以可靠服役,而焊接金相与焊接接头性能密切相关,是从形态学研究出发,揭示焊接接头各个不均匀实体中金属组织变化的特征.它有助于人们领会各个区域性能变化的关系,是评定焊接质量的依据之一.因此,通过焊接金相的观察分析,可以推测焊接接头的性能及评价采用的焊接工艺是否得当,从而提出改善焊接工艺的途径.
【总页数】1页(P4-4)
【作者】许志武;闫久春;于捷
【作者单位】哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室,150001;哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室,150001;哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TG457.14
【相关文献】
1.铝基复合材料瞬间液相扩散焊接(TLP)接头金相组织 [J], 许志武;闫久春;于捷
2.铝基复合材料振动液相扩散焊焊接接头金相组织 [J], 许志武;闫久春;于捷
3.铝基复合材料过渡液相扩散焊接接头金相组织 [J], 许志武;闫久春;吕世雄;于捷
4.铝基复合材料瞬间液相扩散连接接头的组织与力学性能 [J], 孙大谦;刘卫红;吴建红;贾树盛
5.基于人工神经网络预测铝基复合材料瞬间液相扩散焊的接头性能 [J], 刘金;贾树盛
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关于扩散连接的文献综述
重庆理工大学本科生毕业设计（论文）文献综述论文题目：钛合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程姓名：学号：指导教师：完成日期：2015年1月20日瞬间液相扩散连接( TLP-DB) 方法以其独有的性能优势, 在先进材料连接领域得到广泛的重视和应用。
综述了瞬间液相扩散焊中接触熔化、液相均匀化、等温凝固以及固相成分均匀化阶段的理论模型及发展状况,并对现有模型进行了分析和讨论。
随着材料科学的发展，新材料不断涌现。
在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。
焊接异种金属的方法有很多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊、钎焊及瞬间液相扩散连接等。
钛合金与不锈钢的复合构件，能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补，在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业，具有非常广阔的应用前景。
钛合金与不锈钢焊接时，由于两者的物理化学性能相差较大，且容易形成硬而脆的金属间化合物，使得接头性能难以提高。
瞬间液相扩散连接作为先进的焊接技术，特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。
在瞬间液相扩散连接的过程中加入超声波振动，对焊接件施加纵向超声波，能够提高焊接的质量，缩短焊接的时间，提高焊接的效率。
各种新型材料, 如金属间化合物具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点使其成为极具潜力的高温结构材料, 其中钛合金是潜在的航空航天材料,但是, 金属间化合物的共同缺点: 室温塑性低和高温强度差制约了它们在生产实践中的应用; 现代复合材料, 具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、尺寸稳定、耐磨、抗震等优良性能, 其在航空、航天、军工等高技术领域具有极其广阔的应用前景, 但由于复合材料中基体与增强相之间物理、化学性能相差很大, 导致其焊接性很差, 很难获得理想的焊接接头; 陶瓷材料的塑性差, 冷加工困难, 难以制成大型或形状复杂的构件等, 因而这些材料都会不同程度受到实用化问题的挑战。
Ti2AlNb合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析
第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):024 - 028 2 0 1 8 年 2 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION February2018Ti2AINb合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析蔡小强，王颖，杨振文，王东坡(天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津300072)摘要：采用Ti/Ni作为中间层实现了 A A lN b合金的连接（transient liquid phase，TLP)，研究了 TLP连接接头的 界面组织及其形成机制，并且分析了不同保温时间对接头界面组织和力学性能的影响规律.结果表明，T〇AlNb合 金TLP连接接头主要表现为等温凝固区和冷却凝固区两个明显的特征区域.接头的典型界面组织为T/AlNb/B2/ Nb!Al+B2 V)V A N/AAlNb.随着保温时间的延长，接头中Nb!A l和^Ni相消失，）相不断减少，B2相不断增 多.当连接温度为1 180 O,保温时间为20 min时，接头的室温抗剪强度最大，达到428 MPa，高温（650 O)抗剪强 度达到407 M Pa.接头的断裂主要发生在冷却凝固区的）相上.关键词：钛铝铌合金；瞬时液相扩散连接；界面组织；高温性能；抗剪强度中图分类号：T6 454 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.20183900340序 言以有序正交结构O相作为主要构成相的Ti2Al-Nb合金，自1988年Banerjee等人%1]首次发现以来，引起了广泛的关注和研究.Ti2AlNb合金具有较高 比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较 好的抗氧化性、无磁性等优点，可在600 ~ 800 O长 时间使用、1 〇〇〇O以上短时间使用.这些优异的性 能使TiiAlNb合金成为航空航天领域具有广阔应用 前景的新型轻质耐高温材料%2].由于航空航天部件 结构复杂，实现TiiAlN b自身的可靠连接将成为此 类材料推广应用的关键问题.目前用于钛合金的连接方法主要有熔焊%3]、钎 焊[4]、摩擦焊%5]、扩散连接%6-7&等.其中熔焊在焊后 快速冷却过程中易出现固态裂纹.钎焊接头的高温 性能较差，所以钎焊接头的使用温度受限.摩擦焊 Xt试样自身具有较高的要求.对于扩散连接来说，由于长时间处于较高压力作用下使得母材的力学性 能降低.而且当结构件大且复杂时，扩散连接工艺 将受到很大限制.TLP连接技术综合了钎焊和固相 扩散连接两者的优点，既能在较低温度下实现冶金 连接，又能获得高性能，特别是高温力学性能的接 头[8].邹贵生等人[9]采用Ti-15Cu-15N i合金薄带作收稿日期：2016 -05-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574177)中间层，研究了 Ti2AlNb合金的TLP连接，获得了较 好的室温和高温强度的接头.相比于Ti-15Cu-15N i 体系，Ti-Ni体系作为中间层也具有较好的高温性 能[10].文中采用Ti/Ni作为中间层对TizAlNb合金 进行TLP连接，研究接头界面组织的形成以及保温 时间对接头组织及性能的影响规律.1试验方法试验使用的母材为TiiAlNb合金，其名义成分 为 Ti-21Al-23Nb-0. 4M〇(原子分数，d).图 1a，1b 分别显示Ti2AlNb合金的室温微观组织形貌和XRD 分析结果.可以看到，Ti2AINb合金室温组织由（相、B2相和O相组成，其中（相和O相弥散分布于 B2相基体上.母材在室温和650 O的抗拉强度分别 为1 185和1 030 MPa.用电火花线切割机床将T i2 AINb合金母材加工成块状，其中尺寸为5 m m X 5 m m X5 mm的母材置于上方，尺寸为15 m m X10 mmx3 mm的母材置于下方.中间层材料采用纯钛 和镍箔，厚度均为60 !m，置于母材之间.连接前将 待连接试件表面依次用200号到2000号砂纸水磨，放在丙酮中超声清洗、烘干.TLP连接在真空炉中 进行，连接温度为1 180 O，保温时间为5 ~ 120 min.连接过程中，在安装试件上施加3 kPa的压力以保 证试样之间的紧密接触.在整个连接过程中真空度 不低于 2.0 X10-3Pa .第#期蔡小强，等:Ti2A：b合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析25(a)母材显微组织形貌衍射角20/(° )(b)母材X射线衍射图图1Ti2AINb母材的显微组织形貌及X射线衍射图Fig. 1Microstructure and XRD pattern of Ti2AIIM b alloy连接后的试件，经200号到2000号砂纸水磨，绒布拋光后，用 〇. &H F- 1. 2HN03 - 5HC1 - 93H#0 (ml)进行腐蚀.采用扫描电镜（SEM，FEI Nan。
DD3合金TLP扩散焊等温凝固过程研究
１ ｍ ｎ ３ ｍｉ， ｈ和 ２ ０ ｉ ，０ ｎ １ ｈ进 行 Ｄ ３合 金 扩 散 连 接 等 Ｄ
温凝 固实 验 。装 配 时 在试 样 中 间 夹 两 层 中 间 层 合
及 设备 条件 要 求 那 么高 。因 此 ， 一 种 非 常适 合 于 是
高 温合 金 的连 接 方法 。 目前 ， 国外 已 有该 方 法 的实 际应 用 并 取 得 了 良好 效 果 ’ ， 单 晶合 金 的 Ｔ Ｐ 在 Ｌ 扩 散焊 研究 中也 取得 了一 定进 展 。
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ５５ ５ ． ０ １ ６ ０ ：０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ０ —０ ３ ２ １ ． ． ０１
中 图 分 类 号 ： ２ ３ Ｖ １． Ｖ ２ ； ２５ ５
文 献标 识 ３ ２ １ ） ６ ０ １ ６ ０ ５５ ５ （ ０ １ ０ － ０ － ０ ０
要 的 时 间 。计 算 结 果 表 明对 于给 定 的 连接 系 统 ， 在 一 个 连接 温度 的 最 佳 值 ， 该 温 度 下 ， 缝 等 温 凝 固完 成 所 需 存 在 焊
的 时 间 最 短 。结 果 表 明 ， 于 Ｄ ３ 金 的 Ｔ Ｐ扩 散 焊 ， 用 １５ ℃ 的 连 接 温 度 比较 合 适 。 对 Ｄ 合 Ｌ 采 ２０ 关 键 词 ：瞬 间 液 相 扩 散 焊 ； 温 凝 固 ； 型 等 模
了钎焊 和 固相 扩散 焊 二 者 的 优 点 ， 与钎 焊 的 区别 其
在 于该 方法 实 现 了等 温 凝 固 ， 成 的 接 头组 织 性 能 形
与 固相 扩散 焊类 似 ， 像 钎 焊 接 头 与 基体 有 较 大 的 不
差 异 。 同时工 艺简 单 ， 像 固相 扩 散 焊对 焊 前 准 备 不
TP304H_12Cr1MoV异种钢管的瞬时液相扩散连接
第27卷 第2期2006年2月焊接学报TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O NVol .27 No .2February 2006TP304H /12C r1MoV 异种钢管的瞬时液相扩散连接井晓天1, 陈思杰1,2, 卢俊峰1, 李辛庚3(1.西安理工大学材料科学与工程学院,西安 710048;2.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作 454000;3.山东电力研究院,济南 250002)摘 要:用Fe N i CrSi B (A )合金作中间层,氩气保护,对12Cr1MoV 珠光体耐热钢和TP304H 奥氏体不锈钢管进行了瞬时液相扩散连接。
用正交试验的方法研究了工艺参数对接头组织和性能的影响,分析了T LP 连接接头的显微组织、断口形貌、力学性能和元素分布,确定出了合适的连接工艺参数。
研究结果表明,连接温度1240℃,等温凝固时间3m in,压力4MPa 时,接头的强度最高达到590MPa,其断口呈韧性断裂特征。
关键词:TP304H /12Cr1MoV;异种钢管;瞬时液相连接;显微组织中图分类号:TG151.1 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2006)02-97-05井晓天0 序 言火力发电机组随着各个部位工作温度的不同,相应地使用了不同化学成分和组织结构的钢材,因此必然会遇到异种钢的焊接问题。
其中许多部件及管道采用了12Cr1MoV 耐热钢与TP304H 不锈钢的异种钢接头。
12Cr1MoV 钢热强性和持久塑性较高,由于碳及合金元素含量较多,淬硬敏感性较大,在焊件刚性及接头应力较大时,易产生冷裂纹。
TP304H 是经固溶处理后供货的,其组织为单相奥氏体,具有高的抗蚀性、抗蠕变性和综合力学性能;但在450～850℃温度区间长时间停留,易发生晶间腐蚀。
12Cr1Mo V 与TP304H 焊接时,因接头化学成分的不均匀导致组织的不均匀,从而最终影响到接头的持久强度。
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三、 TLP连接模型简介
1、TLP 与TG-TLP简介 TLP连接原理是将某种中间层合金置入连接界面，加热至连接温 度，中间层含有降熔元素（MPD）发生熔化或者由于与基体相互作用， 在连接界面间形成液态薄膜。在随后的保温过程中，中间层合金与基 体发生元素扩散，因而成分改变，熔点升高，在连接温度下发生等温 凝固，实现连接过程。 近年来在连接工艺上也在不断发展，例如剑桥大学的 A.A.Shirzadi与E.R.Wallach提出了一种“带有温度梯度的TLP扩散焊 (Temperature gradient-transient liquid-phase bonding 简称TG-TLP)” 的新工艺，突破了传统的TLP扩散连接惯用的连接区温度均匀分布的 束缚，其优点在于可使最终凝固所得的界面由经典TLP连接情况下所 得的平面状变为非平面状(正弦状或胞状)，增加了沿非平面状界面上 的金属-金属之间的接触面积；将残留的难熔氧化物粒子在接合线 (bondline)上分布由传统TLP工艺下的平直状改善为正弦状或胞状分 布。这样与传统TLP连接相比，提高了接头的剪切强度，并避免了接 头质量的随机波动。可以获得比传统工艺更好的组织和性能 。
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ห้องสมุดไป่ตู้ 国内TLP连接方面的研究概况
1、北京航空材料研究院，李晓红 毛唯 郭万林 谢永慧 等人主要对国内 自行研制第一代镍基单晶高温合金DD3，第二代单晶合金DD6进行过 渡液相扩散焊(TLP扩散焊)工艺进行了研究。 2、东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 ，借鉴TLP连接技 术在其它领域的最新研究进展，提出利用4045铝合金为中间层材料， 采用轧制复合的方法生产不锈钢-3003铝合金复合板的新工艺。 3、哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室，许志武、 闫久春等 人研究了铝基复合材料瞬问液相扩散焊接（TLP）接头金相组织。钱 乙余冯吉才何鹏等人对TiAl与40Cr钢之间的扩散连接进行了研究。 4、北京航空航天大学机械工程学院，曲文卿 、庄鸿寿、 张彦华等对 SiC颗粒增强A1基复合材料与A1合金的TLP扩散连接试验，对异种材 料TLP扩散连接过程存在的非对称性进行了深入的研究，并对异种材 料TLP扩散连接过程的等温凝固动力学进行了数学建模。 5、清华大学机械系邹贵生 、吴爱萍等研究了Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连 接Si3N4陶瓷的机理。
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4、 TLP 与TG-TLP连接过程比较
TLP 与TG-TLP
图3 TLP 与TG-TLP连接过程示意图
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5、存在的问题及双温TLP连接模型的提出
TLP扩散连接过程中，中间层熔化阶段和液相均匀化阶段都是接 头区域（母材和中间层）熔化为液相的过程，从扩散本质上讲，是溶 质在固相区的扩散过程，受固相扩散速度的控制。中间层熔化后，有 害的难溶氧化物颗粒和杂质混在液相中，在等温凝固过程中，由于溶 质的重新分布，这些杂质分布在凝固界面的前沿。等温凝固完成后， 大部分杂质在接头中心处聚集，影响金属之间的连接。因此，接头的 剪切强度比相应母材的要低。另外，氧化物杂质分布形成的平滑连接 线降低接头的强度[23]。在凝固过程中，通过凝固理论和技术，研究 控制液固界面的形状和推进方式是改善接头性能的重要研究课题。在 传统的TLP扩散连接理论和模型的基础上，建立新的TLP扩散连接模 型，对于TLP扩散连接理论的发展具有重要的意义。TG-TLP连接工 艺模型取得了很大的突破，但存在温度梯度难于控制的问题。 TLP 扩散连接双温模型，具有容易控制，用非平衡结晶理论来研 究中间层液体结晶过程，改善凝固界面的形态，提高连接接头的使用 性能。
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2、TLP等温凝固的的传统模型
图1 TLP连接的 传统模型
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3、TG-TLP连接模型中过冷度的形成
C0-远离界面的液体成分 k-溶质分配系数 V-界面移动速度 D-液体中 溶质扩散系数 图2、TG-TLP连接模型过冷度形成示意图
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二、国内外研究进展
国外的研究概况： 20世纪70年代初，Duall等人在研究镍基高温合金的 焊接时，提出了一种新型的连接技术——瞬时液相扩散连 接技术，并且将该技术成功的应用于JT9D涡轮发动机的 叶片焊接，焊接接头有效率>99.8%，实现了TLP连接技 术的实际应用。至今已在镍基、钴基、氧化物弥散强化的 高温的连接中广泛应用。近年来，随着航空航天、空间技 术、微电子、石油化工等高新技术的迅速发展，新材料与 结构不断得到应用，飞行器动力装置、核能设备、压力容 器与管道、电子封装等重要结构或部件，不仅要求具有高 强度，还要求结构具有良好的断裂韧性、抗腐蚀性、耐磨 性以及耐高温等性能，进一步促进了TLP连接技术的发展， TLP连接方法具有广阔的工程应用前景。在钢材、有色金 属、电子器件、先进陶瓷和异种材料的连接方面都有研究。
TLP扩散连接的动力学模型
陈思杰
河南理工大学材料科学与工程学院
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一、研究对象、范畴
瞬时液相扩散连接（Transient liquidphase bonding简称TLP）的模型与工艺，属于 材料科学的扩散与相变的理论范畴，传统的工 艺强调的是材料在连接过程中通过降低熔点元 素的扩散发生等温凝固，实际研究中，TLP连 接的模型可以是非平衡的。例如，具有温度梯 度的TLP连接工艺模型， TLP连接双温连接模 型，后两种模型和传统的瞬时液相扩散连接模 型有很大的区别。突破了传统理论等温凝固的 概念，用非平衡结晶理论来研究建立中间层液 体结晶过程，改善凝固界面的形态和扩散过程， 提高连接接头的使用性能。