（材料加工工程专业论文）Felt3gtAl188异种材料扩散焊接界面元素数值分析.pdf

原 创 性 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对木 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标 明。本声明的法律责任有本人承担。 沦 文 作 者 签 名 : 卫生 日 期 : 、. /0 ,a 0 关于学位论文使用授权的声明 木人完个 了 解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子版，允 许沦文被查阅和借阅;木人授权山东大学可以将木论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 手段保存论文和汇编本学位论文 ，可以采用影印、缩印或其他复制 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:4 金导 师 签 名 : 乙一 日 期 o z b e 呼 . i o .a o 山东大学硕士学位论文 摘要 扩散焊接接头区域元素浓度分布是扩散连接技术中影响被连接材料扩散、 相变、界面反应及接头质量的重要因素。扩散焊接过程中，在加热温度、保温 时间和压力的共同作用下，合金元素在界面进行不同程度的扩散。当浓度达到 一定的数值时，发生扩散反应。由于各个元素的浓度不同以及受工艺参数的影 响不同，扩散反应生成的中间相也不相同，从而导致 f e 3 a i 异种材料扩散焊接 界面过渡区具有不同的组织性能。 本课题对 f e 3 a 1/ 1 8 - 8钢异种材料扩散焊接界面元素的扩散系数进行了分 析。首先，利用b o l t z m a n n - ma t a n 。 方法，分析了f e 3 a l / 1 8 - 8 界面元素的扩散系 数与浓度的关系，同时又对界面元素的扩散系数与温度的关系进行了分析。结 果表明， f e 3 a l / 1 8 - 8 界面元素的扩散系数与浓度有一定的关系， 随着界面浓度的 增加，元素的扩散系数增大，温度越高，元素的扩散系数越大。温度对扩散系 数的影响远远大于浓度对其的影响。 扩散系数的 确定是为了 研究f e 3 a i/ 1 8 - 8 异种材料扩散焊接界面附近元素的 扩散分布、 过渡层的宽度等问 题。 在分析了扩散系数的基础上， 以非稳态的f i c k 第二定律为基础， 通过确定界面初始条件和边界条件，对 f e 3 a i 异种材料扩散 焊接界面附近的元素浓度分布进行了分析计算，在理论上得到了加热温度和保 温时间对元素浓度分布的影响。 利用电子探针 e p ma )实测的f e 3 a l / 1 8 - 8界面元素分布结果与计算结果 进行比较， 研究了 加热温度、保温时间对 f e 3 a i 界面附近元素浓度场分布的实 际影响。分析结果表明，在保温时间不变的情况下，提高加热温度有利于提高 扩散层的厚度。在最高温度不变的情况下，延长保温时间有利于元素的扩散。 提高加热温度比延长保温时间对元素扩散的影响效果更明显。 关键词:f e 3 a i 异种材料 扩散焊 扩散系数 元素浓度分布扩散机制 山东大学硕士学位论文 abs trcat i n d i ff u s i o n c o n n e c t i o n t e c h n i q u e , d i s t r i b u t i o n o f e l e m e n t c o n c e n t r a t i o n i n d i f f u s i o n c o n n e c t i o n d i s t r i c t i s a n i m p o r t a n t f a c t o r t h a t i n fl u e n c e s d i f f u s i o n , p h a s e t r a n s i t i o n , i n t e r f a c e r e a c t i o n a n d j o i n t q u a l i t y o f t h e m a t e r i a l c o n n e c t e d . i n t h e p r o c e s s o f d i f f u s i o n b o n d in g , a l l o y e l e m e n t s d i f f u s e t o d i f f e r e n t d e g r e e s o n t h e i n t e r f a c e u n d e r m u t u a l e f f o r t o f h e a t i n g t e m p e r a t u r e , h o l d i n g t i m e a n d w e l d i n g p r e s s u r e . d i f f u s i o n 叮即 o c c u r s wh e n c o n c e n t r a t i o n r e a c h e s a c e r t a i n n u mb e r . be c a u s e d i f f e r e n t t e c h n i c a l d i f f e r e n t , d i f f u s i o n th i s c o n c e n t r a t i o n p a r a me t e r s , wh i c h t h u s o f e a c h e l e me n t a n dd i f f e r e n t d i f f u s i o n i n fl u e n c e s i n t e r p h a s e s p r o d u c e d i n r eac t i on a r e c a u s e s d i ff e r e n t s y s t e m a t i c p e r f o r ma n c e i n b o n d i n g i n t e r f a c e t r a n s i t i o n a r e a o f f e 3 a i d i s s i m i l a r m a t e r i a l . a r t i c l e a n a l y z e s t h e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t o f d i f f u s i o n b o n d i n g i n t e r f a c e e l e m e n t s o f f e 3 a i / 1 8 - 8 s t e e l d i s s i m i l a r m a t e r i a l . b y m e a n s o f b o l t z m a n n - ma t a n o , t h e r e l a t i o n b e t w e e n d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t o f i n t e r f a c e e l e m e n t s a n d c o n c e n t r a t i o n i s s t u d i e d . me a n w h i l e , t h e r e l a t i o n b e t w e e n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d t e m p e r a t u r e i s a l s o s t u d i e s i n t h i s a r t i c l e . t h e r e s u l t s h o ws t h a t d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t h a s a c e r t a i n r e l a t i o n t o c o n c e n t r a t i o n . wi t h t h e i n c r e a s e o f i n t e r f a c e c o n c e n t r a t i o n , d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f e l e m e n t s d e c r e a s e s . i t a l s o s h o w s t h a t t h e h i g h e r t e m p e r a t u r e i s t h e h i g h e r d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f e l e m e n t s w i l l b e . t h e i n fl u e n c e t o d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t b y t e m p e r a t u r e i s f a r m o r e o b v i o u s t h a n t h a t b y c o n c e n t r a t i o n . t h e d e t e r m i n a t i o n o f d i ff u s i o n c o e f f i c i e n t i s m a d e f o r s t u d y i n g t h e p r o b l e m o f d i f f u s i o n d i s t r i b u t i o n , w i d t h o f i n t e r m e d i a t e l a y e r a n d s o o n o f t h e e l e m e n t s a r o u n d f e 3 a 1 d i s s i m i l a r m a t e r i a l d i ff u s i o n b o n d i n g i n t e r f a c e . t h e r e f o r e , b a s e d o n t h e a n a ly s e s o f d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t , a c c o r d i n g t o n o n - s t a t i o n a r y f i c k l a w , t h r o u g h d e t e r m i n a t i n g t h e i n i t i a l 山东大学硕士学位论文 c o n d i t i o n s a n d t h e b o u n d a ry c o n d i t i o n s , t h e i n fl u e n c e o f h e a t i n g t e m p e r a t u r e a n d h o l d i n g t i m e t o e l e m e n t s c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n c a n b e o b t a i n e d t h e o r e t i c a l l y b y a n a ly z i n g a n d c a l c u l a t i n g e l e m e n t s c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n a r o u n d d i ff u s i o n b o n d i n g a r e a o f f e 3 a l d i s s i mi l a r ma t e r i a l . t h e c a l c u l a t i o n r e s u lt s a r e c o m p a r e d w i t h e l e m e n t d i s t r i b u t i o n r e s u l t s t h a t a r e o b t a i n e d b y e l e c t r o n p r o b e m i c r o a n a l y z e r ( e p ma ) . i t s t u d i e s t h e f a c t u a l i n fl u e n c e o f h e a t i n g t e m p e r a t u r e a n d h o l d i n g t i m e t o t h e d i s t r i b u t i o n o f e l e m e n t c o n c e n t r a t i o n a r o u n d f e 3 a 1 i n t e r f a c e . a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f a f i x e d h o l d i n g t i m e , t h e i n c r e a s e o f h e a t i n g t e m p e r a t u r e i s h e l p f u l i n i n c r e a s i n g t h e t h i c k n e s s o f d i f f u s i o n l a y e r . u n d e r t h e c o n d i t i o n o f a f ix e d h i g h e s t t e m p e r a t u r e , t o p r o l o n g h o l d i n g t i m e i s h e l p f u l t o t h e d i ff u s i o n o f e l e m e n t . i n c r e a s i n g h e a t i n g t e m p e r a t u r e i s m o r e p o w e r f u l t h a n p r o l o n g i n g h o l d i n g t i m e i n i n fl u e n c i n g e l e m e n t d i f f u s i o n . k e y w o r d s : f e 3 a 1 c o e f f i c i e n t , e l e me n t d i s s i mi l a r ma t e r i a l , d i f f u s i o n b o n d mg ,di f f u s i o n c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n , d i f f u s i o n m e c h a n i s m. 山 东大学硕士学位论文 f e 3 a u 1 8 - 8 异种材料扩散焊接界面元素数值分析 第 1 章前言 1 . 1选题的目的与意义 以金属间化合物为基体的合金材料是目前正在发展的一种新型材料。金属 间化合物具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构，可以作为高温高强度的 结构材料应用于现代动力机械、化工和石油设备，以及各种先进精密仪器零件 等 高 温 、 高 强 度 和 强 烈 的 浸 湿 性 介 质 的 工 作 环 境 中 l 2 。 目 前 ， 金 属 间 化 合 物 的研究主要集中于n i - a l 系，t i - a l 系，f e - a i 系金属间化合物。与n i - a l 系、 t i - a l 系金属间化合物相比，f e - a i 系金属间化合物价格便宜，具有更广泛的应 用价值。 f e 3 a 1 金属间化合物具有优良 的抗氧化性、 抗硫化介质浸湿性能以 及较 好 的 抗 高 温 蠕 变 性 能 ， 有 可 能 成 为 新 一 代 的 高 温 结 构 材 料 3 一 5 a 随着真空技术的不断发展，真空扩散焊工艺特别适用于脆性材料及异种材 料的连接。 将具有良 好抗氧化性和耐腐蚀性的f e 3 a 1 金属间 化合物和1 8 - 8 钢采 用扩散焊接的方法连接起来，有可能在航天航空工业、电力部门以及锅炉压力 容器等领域获得实际应用。但优良的扩散焊接头的形成主要取决于扩散焊界面 附 近 扩 散 的 元 素 以 及 接 触 界 面 的 相 互 扩 散 行 为 6 。 而 焊 接 时 的 加 热 温 度 和 保 温 时间又是影响元素的扩散速度、扩散距离和浓度分布的主要因素。关于焊接工 艺参数对扩散焊接过程中元素的扩散行为的影响，研究者们从晶界迁移、空洞 消 失 及 界 面 再 结 晶 的 角 度 做 过 一 些 的 研 究 7 ,8 ， 但 对 异 种 材 料 扩 散 焊 接 时 元 素 之间的相互扩散目前少有文献报道。 真空扩散焊是在高真空气氛中把处于紧密接触状态的两零件加热到预定温 度并保持一定的时间，使两个需要连接的表面产生塑性变形以达到最大程度的 接近和原子扩散，从而实现零件的牢固连接的一种先进工艺方法。由于扩散连 接涉及了 材料扩散、界面反应、接头应变等各种行为，工艺参数多，如果仅通 过一系列的试验来选择合适的工艺参数，需要较多的试验次数，不但消耗的材 料多，而且花费的时间也较长。随着计算机技术的发展，计算机在焊接领域的 应用日益广泛和深入。它不仅限于计算机焊接应用软件的范围，而且覆盖了和 山 东大学硕士学位论文 f e 3 a u 1 8 - 8 异种材料扩散焊接界面元素数值分析 第 1 章前言 1 . 1选题的目的与意义 以金属间化合物为基体的合金材料是目前正在发展的一种新型材料。金属 间化合物具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构，可以作为高温高强度的 结构材料应用于现代动力机械、化工和石油设备，以及各种先进精密仪器零件 等 高 温 、 高 强 度 和 强 烈 的 浸 湿 性 介 质 的 工 作 环 境 中 l 2 。 目 前 ， 金 属 间 化 合 物 的研究主要集中于n i - a l 系，t i - a l 系，f e - a i 系金属间化合物。与n i - a l 系、 t i - a l 系金属间化合物相比，f e - a i 系金属间化合物价格便宜，具有更广泛的应 用价值。 f e 3 a 1 金属间化合物具有优良 的抗氧化性、 抗硫化介质浸湿性能以 及较 好 的 抗 高 温 蠕 变 性 能 ， 有 可 能 成 为 新 一 代 的 高 温 结 构 材 料 3 一 5 a 随着真空技术的不断发展，真空扩散焊工艺特别适用于脆性材料及异种材 料的连接。 将具有良 好抗氧化性和耐腐蚀性的f e 3 a 1 金属间 化合物和1 8 - 8 钢采 用扩散焊接的方法连接起来，有可能在航天航空工业、电力部门以及锅炉压力 容器等领域获得实际应用。但优良的扩散焊接头的形成主要取决于扩散焊界面 附 近 扩 散 的 元 素 以 及 接 触 界 面 的 相 互 扩 散 行 为 6 。 而 焊 接 时 的 加 热 温 度 和 保 温 时间又是影响元素的扩散速度、扩散距离和浓度分布的主要因素。关于焊接工 艺参数对扩散焊接过程中元素的扩散行为的影响，研究者们从晶界迁移、空洞 消 失 及 界 面 再 结 晶 的 角 度 做 过 一 些 的 研 究 7 ,8 ， 但 对 异 种 材 料 扩 散 焊 接 时 元 素 之间的相互扩散目前少有文献报道。 真空扩散焊是在高真空气氛中把处于紧密接触状态的两零件加热到预定温 度并保持一定的时间，使两个需要连接的表面产生塑性变形以达到最大程度的 接近和原子扩散，从而实现零件的牢固连接的一种先进工艺方法。由于扩散连 接涉及了 材料扩散、界面反应、接头应变等各种行为，工艺参数多，如果仅通 过一系列的试验来选择合适的工艺参数，需要较多的试验次数，不但消耗的材 料多，而且花费的时间也较长。随着计算机技术的发展，计算机在焊接领域的 应用日益广泛和深入。它不仅限于计算机焊接应用软件的范围，而且覆盖了和 山 东大学硕士学位论文 焊 接 过 程 有 关 的 数 值 模 拟 、 传 感 信 息 的 处 理 以 及 焊 接 设 备 的 控 制 等 许 多 方 面 9 o 借助于计算机模拟技术可以使大量的筛选工作由计算机来完成，找到共同的规 律。这样，即节省了时间、人力、物力，又可以对扩散连接过程进行预测和控 制 ， 具 有 很 大 的 经 济 效 益 1 0 o 本课题在利用真空扩散焊技术实现f e 3 a 1 金属间化合物与 1 8 - 8 钢连接的基 础上，对扩散焊界面附近的扩散元素 ( 如f e , a l , n i , c r 等)的扩散系数及浓 度分布等进行了数值计算，并分析了加热温度和保温时间等工艺参数对界面元 素扩散行为的影响，为研究中间扩散过渡层的形成以及提高扩散焊接接头的性 能提供理论依据。以 指导扩散焊接工艺参数的选择。 1 .2 扩散焊的 研究现状 扩散焊是一种精密的连接方法。是在一定的温度和压力下，被连接的表面 相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，或通过被连接表面产生 的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一定时间的 相 互 扩 散 ， 形 成 整 体 可 靠 的 连 接 的 过 程 i 。 扩 散 焊 接 头 不 存 在 具 有 过 热 组 织 的 热影响区，工件变形小， 工艺参数易于精确控制。 扩散焊适合的材料十分广泛， 包括耐热材料、陶瓷、磁性材料及活性金属等。目 前，真空扩散焊作为先进的 焊接技术在国内外的航空航天、原子能领域已 经得到了应用，并且逐步向石油 化工、电力、机械制造等工业领域发展。 理想的焊接扩散偶要求焊接界面两侧材料的成分和组织不发生显著的变 化;结合面上无外来杂质、空洞等缺陷，以保证扩散组元通过界面进行扩散时 不受影响。由于真空扩散焊的特点是在真空室中， 在一定的压力下加压完成的， 整个焊接过程可以避免焊接接头出现因氧化膜等杂质而引起的焊接缺陷。 扩散焊过程大约可以 分为三个阶段: 物理接触阶段; 接触界面原子间的相互 扩散，形成牢固的结合层阶段:接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展， 形成可靠的连接接头阶段。 在物理接触阶段， 高温下微观不平的表面， 在外加压力的作用下， 通过屈服 和蠕变机理，使一些点首先达到塑性变形。在持续压力的作用下，接触面积逐 渐 扩 大 ， 最 终 达 到 整 个 面 的 可 靠 接 触 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 的 何 鹏 1 2 等 在 把 连 接 初 山 东大学硕士学位论文 焊 接 过 程 有 关 的 数 值 模 拟 、 传 感 信 息 的 处 理 以 及 焊 接 设 备 的 控 制 等 许 多 方 面 9 o 借助于计算机模拟技术可以使大量的筛选工作由计算机来完成，找到共同的规 律。这样，即节省了时间、人力、物力，又可以对扩散连接过程进行预测和控 制 ， 具 有 很 大 的 经 济 效 益 1 0 o 本课题在利用真空扩散焊技术实现f e 3 a 1 金属间化合物与 1 8 - 8 钢连接的基 础上，对扩散焊界面附近的扩散元素 ( 如f e , a l , n i , c r 等)的扩散系数及浓 度分布等进行了数值计算，并分析了加热温度和保温时间等工艺参数对界面元 素扩散行为的影响，为研究中间扩散过渡层的形成以及提高扩散焊接接头的性 能提供理论依据。以 指导扩散焊接工艺参数的选择。 1 .2 扩散焊的 研究现状 扩散焊是一种精密的连接方法。是在一定的温度和压力下，被连接的表面 相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，或通过被连接表面产生 的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一定时间的 相 互 扩 散 ， 形 成 整 体 可 靠 的 连 接 的 过 程 i 。 扩 散 焊 接 头 不 存 在 具 有 过 热 组 织 的 热影响区，工件变形小， 工艺参数易于精确控制。 扩散焊适合的材料十分广泛， 包括耐热材料、陶瓷、磁性材料及活性金属等。目 前，真空扩散焊作为先进的 焊接技术在国内外的航空航天、原子能领域已 经得到了应用，并且逐步向石油 化工、电力、机械制造等工业领域发展。 理想的焊接扩散偶要求焊接界面两侧材料的成分和组织不发生显著的变 化;结合面上无外来杂质、空洞等缺陷，以保证扩散组元通过界面进行扩散时 不受影响。由于真空扩散焊的特点是在真空室中， 在一定的压力下加压完成的， 整个焊接过程可以避免焊接接头出现因氧化膜等杂质而引起的焊接缺陷。 扩散焊过程大约可以 分为三个阶段: 物理接触阶段; 接触界面原子间的相互 扩散，形成牢固的结合层阶段:接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展， 形成可靠的连接接头阶段。 在物理接触阶段， 高温下微观不平的表面， 在外加压力的作用下， 通过屈服 和蠕变机理，使一些点首先达到塑性变形。在持续压力的作用下，接触面积逐 渐 扩 大 ， 最 终 达 到 整 个 面 的 可 靠 接 触 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 的 何 鹏 1 2 等 在 把 连 接 初 山 东大学硕士学位论文 期可能存在的不影响连接进程的空洞排除掉，并把中间过渡层与屈服极限较小 的母材一体化的情况下，提出了既能真实反映实际表面几何形状及连接表面间 的接触几何特性，又能简化紧密接触与结合面积数学处理过程的扩散连接接头 接触界面的菱形柱面空洞模型和双凸透镜柱面空洞模型。考虑到表面峰谷接触 而加以修正，得到了初始空洞搭接面积 5( 扩散连接前结合面的搭接面积) s = 2 h o o ( l a o - x o ) n s 在接触界面原子的相互扩散， 形成牢固结合层阶段， 晶界处原子持续扩散而 使许多空隙消失，界面处的晶界迁移离开了接头的原始界面，达到了平衡的状 态，但仍有许多小空隙遗留在晶粒中。日本大阪大学的高桥康夫等对界面扩散 元 素 数 值 计 算 的 研 究 方 面 提 出 回: 界 面 扩 散 机 理 作 用 的 结 wn ia e- 母 材 的 刚 性 位移。 在接触部分形成结合层逐渐向体积方向发展， 形成可靠连接接头阶段， 体积 扩 一 散是最主要的过程。由体积扩散引起的空洞收缩速度与由界面扩散引起的空 洞收缩速度之间有一定的比 例关系。其值取决于体积扩散系数与界面扩散系数 之比、表面粗糙程度及温度，与压力及接触率无关。在此阶段，遗留下的空隙 完全消失了。 以上三个阶段相互交叉进行， 最终在接头连接区域由于扩散、 再结晶等过程 形成固态冶金结合，它可以生成固溶体及共晶体，有时形成金属间化合物，形 成 可 靠 连 接 。 何 鹏 1 4 坛二 维 模 型 的 基 础 上 ， 依 据 菲 克 第 二 定 律 研 究 了 合 金 元 素 在扩散焊过程中的扩散行为，并从反应热力学和动力学的基础上对反应层的形 成过程进行了数值模拟。推导出了扩散过渡区每一点元素浓度分布的公式，并 通过耐热合金与耐热钢用纯镍箔作为中间层得到了焊接接头， 将试验结果和计 算结果进行了修正。 另 外 ， 张 中 元 等 1 5 也 将 扩 散 焊 的 理 论 模 型 归 为 三 个 阶 段 : 初 始 塑 性 变 形 ， 扩散和蠕变作用下的界面空洞收缩; 界面再结晶使空洞消失。其中，界面动态 再结晶对扩散焊的影响较大，而位错攀移和蒸发一 凝结机理的影响不明显口 扩散焊的工艺参数主要有: 加热温度、 加热速度、保温时间、 压力等， 这些 因素相互影响，相互作用。而工艺参数对扩散连接的影响国内外很多学者进行 了 研 究 。 w . h . k in g 等 1 6 1 7 发 现 : 加 热 温 度 是 控 制 紧 密 结 合 的 接 头 形 成 的 最 山东大学硕士学位论文 重要的工艺参数;压力对接头形成影响较小，但对结合界面的最初形成是必不 可少的，并有助于扩散过程的进行。在第一阶段中过早地撤除压力对接头的形 成不利，但在以后阶段施加的压力对接头的形成没有多大的影响;保温时间是 原子充分扩散形成紧密结合的重要参数，扩散焊所需要的保温时间与采用的加 热温度和压力有关。工艺参数合适的情况下，扩散焊接可以得到与母材性能相 近的接头。 1 .3 金属间化合物原子扩散的研究现状 原子间的相互扩散是实现连接的基础。对于具体材料和合金，要具体分析 原子扩散的路径及材料界面元素间的相互物理化学作用。异种材料扩散焊可能 形成金属间化合物。界面生成物的形态及其生成规律对材料扩散焊接接头的性 能 有 很 大 的 影 响 。 哈 工 大 何 鹏 1 8 ,1 9 操对 扩 散 连 接 接 头 区 域 元 素 浓 度 分 布 进 行 了数值分析，建立了生成固溶体类型的界面反应模型，指出了在扩散连接的扩 散反应中，合金元素的扩散主要决定于被焊接材料间的原子扩散距离以及接头 处的均匀化程度。 扩散焊过程中，原子扩散存在多种途径。除通过晶体点阵的扩散外，晶界、 相间界面、亚结构界面、位错等缺陷等都为原子扩散提供了快速通道。一般情 况下，表面扩散系数 d s 、晶界扩散系数 d b 、体扩散系数d l 之间的关系是 d s d b d l 。 在高温下，晶界扩散与晶内 扩散的差异很小; 在低温下，晶界扩散 的作用将显得更为重要。当温度低于0 . 7 5 - 0 . 8 倍熔点温度时，晶界扩散将起主 导 作 用 。 f ish e r 2 0 建 立 了 晶 界 扩 散 方 程 及 其 解 ， 但 是 其 模 型 是 基 于 在 两 个 晶 粒 之间存在着一个独立晶界的基础上的， 不适应于多晶体中的扩散e h a r r i s o n 研究 多 晶 体 中 点 阵 扩 散 对 晶 界 扩 散 的 影 响 后 发 现 2 1 ， 在 扩 散 初 期 ， 扩 散 只 以 晶 界 扩 散形式进行，此时，晶界扩散类似于点阵扩散;随着扩散时间的延长，体扩散 的距离远小于晶粒的大小，每个晶界的扩散都不受体扩散的影响;随着扩散的 继续进行，当体扩散的距离比晶粒的尺寸大的多的时候，体扩散将与邻近晶界 二。扮二， 。 、 ， ， 。 ，二 二 2 2 二 *、。田 二二。 * 。 、二 的扩散区相互重叠。 d .a .mo l o l o v 等发现卜 月:物质纯度对晶界运动具有很大的 影响，杂质对晶界运动的拖曳作用取决于晶界的位相差。同时，晶界运动的激 活能也受晶界晶体学和材料纯度的影响。 山东大学硕士学位论文 重要的工艺参数;压力对接头形成影响较小，但对结合界面的最初形成是必不 可少的，并有助于扩散过程的进行。在第一阶段中过早地撤除压力对接头的形 成不利，但在以后阶段施加的压力对接头的形成没有多大的影响;保温时间是 原子充分扩散形成紧密结合的重要参数，扩散焊所需要的保温时间与采用的加 热温度和压力有关。工艺参数合适的情况下，扩散焊接可以得到与母材性能相 近的接头。 1 .3 金属间化合物原子扩散的研究现状 原子间的相互扩散是实现连接的基础。对于具体材料和合金，要具体分析 原子扩散的路径及材料界面元素间的相互物理化学作用。异种材料扩散焊可能 形成金属间化合物。界面生成物的形态及其生成规律对材料扩散焊接接头的性 能 有 很 大 的 影 响 。 哈 工 大 何 鹏 1 8 ,1 9 操对 扩 散 连 接 接 头 区 域 元 素 浓 度 分 布 进 行 了数值分析，建立了生成固溶体类型的界面反应模型，指出了在扩散连接的扩 散反应中，合金元素的扩散主要决定于被焊接材料间的原子扩散距离以及接头 处的均匀化程度。 扩散焊过程中，原子扩散存在多种途径。除通过晶体点阵的扩散外，晶界、 相间界面、亚结构界面、位错等缺陷等都为原子扩散提供了快速通道。一般情 况下，表面扩散系数 d s 、晶界扩散系数 d b 、体扩散系数d l 之间的关系是 d s d b d l 。 在高温下，晶界扩散与晶内 扩散的差异很小; 在低温下，晶界扩散 的作用将显得更为重要。当温度低于0 . 7 5 - 0 . 8 倍熔点温度时，晶界扩散将起主 导 作 用 。 f ish e r 2 0 建 立 了 晶 界 扩 散 方 程 及 其 解 ， 但 是 其 模 型 是 基 于 在 两 个 晶 粒 之间存在着一个独立晶界的基础上的， 不适应于多晶体中的扩散e h a r r i s o n 研究 多 晶 体 中 点 阵 扩 散 对 晶 界 扩 散 的 影 响 后 发 现 2 1 ， 在 扩 散 初 期 ， 扩 散 只 以 晶 界 扩 散形式进行，此时，晶界扩散类似于点阵扩散;随着扩散时间的延长，体扩散 的距离远小于晶粒的大小，每个晶界的扩散都不受体扩散的影响;随着扩散的 继续进行，当体扩散的距离比晶粒的尺寸大的多的时候，体扩散将与邻近晶界 二。扮二， 。 、 ， ， 。 ，二 二 2 2 二 *、。田 二二。 * 。 、二 的扩散区相互重叠。 d .a .mo l o l o v 等发现卜 月:物质纯度对晶界运动具有很大的 影响，杂质对晶界运动的拖曳作用取决于晶界的位相差。同时，晶界运动的激 活能也受晶界晶体学和材料纯度的影响。 山 东大学硕士学位论文 扩散系数和扩散激活能是扩散中两个重要的依据，对他们的计算常根据 m a t a n o 方 程 和 a r r h e n u ， 关 系 进 行 巨 习 。 首先， 根据m a t a n 。 方程， 扩散时间t 一定时， 扩散系数d ( c ) 有: d ( c ) 1 d x 、 f t . =一 一 ! i i x a c 2 t l d c ) , . 。 ( 1 一 1 ) 其 中 x ，应 满 足工 x d c 一 。 ( 1 - 2 ) ( ， 一 ， 式 中 的 积 分 等 于 浓 度 曲 线 与 x *- 标 到 c , 的 面 积 a , = 介 d o 一 犷 x d c 0 而 微、 可 由 c m “ 的 浓 度 分 布 曲 线 的 斜 率 求 得 ，t 为 扩 散 时 间 。 由 此 得 出 酗 随成分变化的计算结果。再根据a r r h e n u s 关系，对等式两边同时取对数得到， 1n d = 1n d 。 一 q / k ( 1 / t ) ， 做出in d - 1 / t 直 线， 其斜 率为q / k 从 而求出q 。 直线的 截距为1 n d o o f e 3 a 1 的弹性模量较大， 熔点较高，比重较小。在很低的氧分压下，化学 计量比成分的 f e 3 a 1 就能形成致密的氧化铝保护膜，显示了良 好的抗高温腐蚀 能力。 f e 3 a 1 异种材料扩散焊过程中的扩散动力取决于f e 3 a 1 异种材料之间元素 的浓度梯度、元素的扩散系数及界面条件 ( 如被焊材料的晶体结构、接触状态、 晶体缺陷等) 。 在f e 3 a 1 异种材料扩散焊界面过渡区不同反应层内，由于元素浓 度的差异，会形成不同的组织结构层，因此在扩散焊界面过渡区中，元素的扩 散 系 数 不 是 一 个 确 定 值 ， 而 是 一 个 随 扩 散 过 程 的 进 行 不 断 变 化 的 动 态 数 值 2 4 . 异种材料扩散焊时， 可能在结合区形成金属间化合物。 要根据不同的试验 条 件 进 行 判 定 。 山 东 大 学 李 亚 江 、 王 娟 等 娜 - 2 7 在 对 f e 3a 1/q 2 3 5 异 种 材 料 扩 散焊界面组织结构的研究中发现，在工艺参数为 t = 1 0 5 0 - 1 0 8 0 c , t = 6 0 m i n , p = 9 .8 m p a 的 条 件下， 在f e 3 a t/ q 2 3 5 扩散 过渡区 主 要 存 在f e 3 a 毛 相 和a - f e ( a l) 固溶体，结合界面靠 f e 3 a 1 一侧扩散过渡区没有明显的高硬度脆性相出现。 f e 3 a 1 / q 2 3 5 扩散界面的f e 3 a 1 , f e a l 相和a - f e ( a l ) 固 溶体之间分别存在着( 1 1 0 ) n 1f e (a l) / / ( 0 1 1 ) f e 3 a : 和 0 叫- -f e (a l) / / 1 0 0 f e 3 a 1 的 晶 体 学 取 向 关 系 。 这 些 相 是 由 亚晶 粒结构组成， 无空洞、 裂纹等微观缺陷。另外， 对f e 3 a u 1 8 - 8 钢的界面研 究 发 现 2 8 ， 在 采 用 真 空 扩 散 设 备 ， t ,。 为 1 3 5 0 k ， 在 靠 近 f e 3 a 1 一 侧 ， 主 要 是 山东大学硕士学位论文 富含c r 和n i 的 沉淀物。 在靠近1 8 - 8 钢一侧存在具有体心立方结构的a - f e ( a l ) 固溶体。 异种材料焊接时，形成的金属间化合物对接头的性能影响很大，许多研究 者采用扩散反应的理论，计算和模拟预测由扩散工艺参数控制的相变中的组织 和微观结构的变化。 阿布杜拉赫等根据电 子计算机实现的差分法， 建立了扩散反应理论相应微 分 方 程 的 偏 倒 数 解 法 回， 在 忽 略 金 属 间 化 合 物 相 晶 核 产 生 的 过 程 ， 假 定 化 合 物 层的形成是纯扩散性质的条件下，对双金属可能形成的金属间化合物进行菲克 等式的计算。 使用该方法对 5 3 06 0 0 0c f e 在 f e 和a l 双金属中的分布和可能形 成的金属间化合物进行了f i c k 方程的计算。 b y e o n g - l e e 建立了 一个数值过程用于模拟具有不同 基体的多相合金间的 扩 散 反 应 3 0 。 其 模 型 基 于 固 定 网 格 有 限 差 分 法 并 考 虑 了 晶 界 移 动 ， 可 以 较 为 准 确地预测由扩散控制的相变中的组织和微观结构变化，并成功地应用于 f e - c r - n i 合金中。其预测的界面变化与报道的试验数据有很好的一致性。如果 给出必要的热力学和动力学参数，这个数值过程也可用于其他不同固溶体相的 扩散反应。 山 东 大 学 王 娟 3 1 坛建 立 了 f e 3a l 异 种 材 料 扩 散 焊 模 型 的 基 础 上 ， 根 据 误 差函数的方法， 对 f e 3 a 1 异种材料扩散焊的 扩散元素进行了 计算，并将计算结 果与实测值进行了比较，计算得出的结果与实际测定的界面附近元素浓度分布 较为接近。但计算曲线不能反映扩散焊界面附近元素浓度的微小波动。 1 . 4 本课题的研究内 容及路线 本课题的研究内容主要包括以下几个方面: 1 ) 扩散焊界面元素扩散系数的确定: 由于扩散流与金属的性能、晶体大小、温度、成分和浓度梯度等有关，所 以元素的扩散系数不是一个确定的数值。扩散系数的确定是研究 f e 3 a l 异种材 料扩散焊界面附近元素分布、反应层形成及长大、过渡区宽度等内在规律的关 键。 本课题首先运用b o l t z m a n n - m a t a n o方法， 对f e 3 a u 1 8 - 8 异种材料扩散焊界 面的元素扩散系数进行了确定和分析。 山东大学硕士学位论文 富含c r 和n i 的 沉淀物。 在靠近1 8 - 8 钢一侧存在具有体心立方结构的a - f e ( a l ) 固溶体。 异种材料焊接时，形成的金属间化合物对接头的性能影响很大，许多研究 者采用扩散反应的理论，计算和模拟预测由扩散工艺参数控制的相变中的组织 和微观结构的变化。 阿布杜拉赫等根据电 子计算机实现的差分法， 建立了扩散反应理论相应微 分 方 程 的 偏 倒 数 解 法 回， 在 忽 略 金 属 间 化 合 物 相 晶 核 产 生 的 过 程 ， 假 定 化 合 物 层的形成是纯扩散性质的条件下，对双金属可能形成的金属间化合物进行菲克 等式的计算。 使用该方法对 5 3 06 0 0 0c f e 在 f e 和a l 双金属中的分布和可能形 成的金属间化合物进行了f i c k 方程的计算。 b y e o n g - l e e 建立了 一个数值过程用于模拟具有不同 基体的多相合金间的 扩 散 反 应 3 0 。 其 模 型 基 于 固 定 网 格 有 限 差 分 法 并 考 虑 了 晶 界 移 动 ， 可 以 较 为 准 确地预测由扩散控制的相变中的组织和微观结构变化，并成功地应用于 f e - c r - n i 合金中。其预测的界面变化与报道的试验数据有很好的一致性。如果 给出必要的热力学和动力学参数，这个数值过程也可用于其他不同固溶体相的 扩散反应。 山 东 大 学 王 娟 3 1 坛建 立 了 f e 3a l 异 种 材 料 扩 散 焊 模 型 的 基 础 上 ， 根 据 误 差函数的方法， 对 f e 3 a 1 异种材料扩散焊的 扩散元素进行了 计算，并将计算结 果与实测值进行了比较，计算得出的结果与实际测定的界面附近元素浓度分布 较为接近。但计算曲线不能反映扩散焊界面附近元素浓度的微小波动。 1 . 4 本课题的研究内 容及路线 本课题的研究内容主要包括以下几个方面: 1 ) 扩散焊界面元素扩散系数的确定: 由于扩散流与金属的性能、晶体大小、温度、成分和浓度梯度等有关，所 以元素的扩散系数不是一个确定的数值。扩散系数的确定是研究 f e 3 a l 异种材 料扩散焊界面附近元素分布、反应层形成及长大、过渡区宽度等内在规律的关 键。 本课题首先运用b o l t z m a n n - m a t a n o方法， 对f e 3 a u 1 8 - 8 异种材料扩散焊界 面的元素扩散系数进行了确定和分析。 山东大学硕士学位论文 2 )扩散焊界面附近的元素浓度