不同加热条件下zrcuticu间元素扩散行为(附件)【字数：10749】
摘 要摘 要在金属-陶瓷扩散焊过程中，Cu/Ti和Cu/Zr叠层复合材料经常用作中间层。Cu连接金属一侧可以缓解接头应力，避免出现裂纹；Ti和Zr作为活性金属，可以活化陶瓷表面。研究Cu/Ti、Cu/Zr间不同加热条件下的扩散反应可以更好地拓展金属-陶瓷材料的应用。本文应用固相扩散焊方法，用常规真空加热和脉冲电流加热两种加热方式对Zr/Cu、Ti/Cu作为中间层时其元素扩散行为进行研究，通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪对中间过渡层进行形貌和元素分布分析。实验结果表明，保温时间延长，扩散进程推进，形成的中间过渡层组织形貌也不相同；连接温度不同，扩散反应速度不同，温度越高，扩散速度越快，同时在不合适的温度发现了裂纹等缺陷；在扩散焊中引入脉冲电流可以大幅度增加扩散反应的效率。关键词辅助脉冲电流扩散焊；Cu/Ti；Cu/Zr；界面反应
目 录
第一章 绪论 1
1.1陶瓷基复合材料 1
1.2 扩散焊基本原理及理论模型 1
1.2.1扩散焊的基本原理 1
1.2.2扩散焊的界面模型 2
1.2.2.1 界面几何模型 2
1.2.2.2界面空洞消失机理 4
1.3脉冲大电流对扩散焊的作用 5
1.3.1脉冲大电流热加工技术 5
1.3.2辅助脉冲电流扩散焊 5
1.4扩散焊的相关应用 6
1.4.1金属金属的焊接 6
1.4.2金属陶瓷的焊接 6
1.4.3厚度差别较大部件的焊接 7
1.5扩散焊技术的发展趋势 7
1.6本课题主要研究的内容和意义 7
第二章 实验材料、设备和方法 9
2.1实验材料 9
2.2试验装备 9
2.3实验过程 11
2.3.1焊前准备 11
2.3.2 扩散焊工艺参数的选取 12
2.3.3 焊后接头微观组织分析 13
第三章 实验结果和分析 14
3.1试件显微组织分析 14
3.1.1 试件形貌初步观察 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.1.2 接头界面的元素扩散 15
3.2 不同焊接工艺参数对扩散层的影响 18
3.2.1 保温时间的影响 18
3.2.2焊接温度的影响 19
3.3不同加热方法的影响 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料（CMC）是在陶瓷基础上通过弥散颗粒增韧和晶须增韧的方式改变其性能而得到的优质材料[1]。CMC因其优异的物理化学性能，如强度高、硬度高、弹性模量大、热胀系数小、密度低、耐高温、抗腐蚀及耐磨等受到各国重视及研究。现代工程应用又往往需要将其与其他材料连接在一起。CMC因其优异的性能，无法通过熔焊等达到连接效果，而用的最多的焊接方法就是钎焊、扩散焊、瞬间液相扩散焊、自蔓延高温合成焊接法和辅助脉冲电流扩散焊。陶瓷的连接主要有两个问题要解决：一个是CMC与金属的润湿性的问题，对此我们可以对陶瓷进行金属化处理或者用活性金属元素解决；另一个则是应力缓解问题，对此一般看法是通过增加中间层解决[2]。本文主要研究扩散焊过程中中间层的界面反应。
1.2 扩散焊基本原理及理论模型
1.2.1扩散焊的基本原理
扩散焊是研究较多的金属陶瓷连接方式，其主要优点是接头质量稳定、耐蚀性好和连接强度高，适用于高温和耐蚀条件下的焊接。扩散焊是指待焊表面靠近接触，提供一定的压力和温度，基于原子扩散理论两侧母材表面原子相互扩散渗透，从而达到有效的冶金结合[3]。
扩散焊具体连接机理尚无定论，从不同角度出发不同学者给出不同答案如再结晶理论、位错理论、卡扎何夫扩散理论、西苗诺夫能量学说、薄膜学说等。总结前人研究所得的学说理论，焊接过程三阶段[3]的理论较为大家认可：
第一阶段为物理接触，被连接表面在压力和温度作用下，粗糙表面的微观凸起首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，并紧密接触，最终达到整个面的可靠接触；
第二阶段是接触界面原子间的相互扩散和再结晶，形成牢固的结合层；
第三阶段是在接触部分形成的结合层中，原子扩散逐渐向纵深发展，形成可靠连接接头。
这三个过程并不是截然分开的，而是相互交叉进行，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，有时生成金属间化合物，形成可靠连接口。
1.2.2扩散焊的界面模型
关于扩散连接的模型和机理有以下几个方面：基于界面几何模型的界面空洞消失机理；界面扩散和体积扩散机理；塑性变形和粘塑性变形机理等。
扩散焊的参数选择长久以来依赖经验导致存在必然的误差。为了指导扩散焊焊接参数的选择，广大科研工作者研究扩散焊的连接机理，提出了诸多界面模型。我们知道，无论对待焊表面怎么加工，微观层面来看表面都是粗糙不平的。最早的扩散焊机理由Parks于上世纪50年代提出，认为焊接过程是一个扩散接触区域在压力作用下的再结晶过程。随后理论进一步更正与深入，King和Owczarski把扩散连接过程分为3个阶段：初始塑性变形、界面处大部分空洞的减小和孤立残余空洞的消失。后人对于扩散焊机理的研究皆是基于其思想，主要研究空洞闭合过程。
1.2.2.1 界面几何模型
界面几何模型的选择对后来的理论推导有极大影响，因而选择一个合适的几何模型极为重要。对于界面的几何模型，前人提出诸多假设。扩散连接界面的几何形状貌似长而近似平行的山脊，国内外用不同的手段描述这种形貌的近似，Derby、wallachRidley[4]和Takallashi[5]认为可以通过近似直边的模型来描述这种几何形貌；Ridley和Guo[6]提出一种seIniIenticular界面形状，然而在实际中出现了与之相反的情况；Klaphaak[7]最早提出一种正弦波形形貌模型，同时Takahash[6]认为正弦波形扩散模型在扩散初期空洞的连接处会出现相反的扩散，而N.Orhan，M.Aksoy，M.Erolu在[8]中详细给出了这种界面几何模型的扩散机理，论述了扩散界面形貌为正弦波的情况，具体内容如下：
图11为正弦界面空洞模型，这种模型的前提条件：
a) 两个界面的接触方式如图l1所示中那样的，在接触处将立即得到焊接接头；
目 录
第一章 绪论 1
1.1陶瓷基复合材料 1
1.2 扩散焊基本原理及理论模型 1
1.2.1扩散焊的基本原理 1
1.2.2扩散焊的界面模型 2
1.2.2.1 界面几何模型 2
1.2.2.2界面空洞消失机理 4
1.3脉冲大电流对扩散焊的作用 5
1.3.1脉冲大电流热加工技术 5
1.3.2辅助脉冲电流扩散焊 5
1.4扩散焊的相关应用 6
1.4.1金属金属的焊接 6
1.4.2金属陶瓷的焊接 6
1.4.3厚度差别较大部件的焊接 7
1.5扩散焊技术的发展趋势 7
1.6本课题主要研究的内容和意义 7
第二章 实验材料、设备和方法 9
2.1实验材料 9
2.2试验装备 9
2.3实验过程 11
2.3.1焊前准备 11
2.3.2 扩散焊工艺参数的选取 12
2.3.3 焊后接头微观组织分析 13
第三章 实验结果和分析 14
3.1试件显微组织分析 14
3.1.1 试件形貌初步观察 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.1.2 接头界面的元素扩散 15
3.2 不同焊接工艺参数对扩散层的影响 18
3.2.1 保温时间的影响 18
3.2.2焊接温度的影响 19
3.3不同加热方法的影响 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料（CMC）是在陶瓷基础上通过弥散颗粒增韧和晶须增韧的方式改变其性能而得到的优质材料[1]。CMC因其优异的物理化学性能，如强度高、硬度高、弹性模量大、热胀系数小、密度低、耐高温、抗腐蚀及耐磨等受到各国重视及研究。现代工程应用又往往需要将其与其他材料连接在一起。CMC因其优异的性能，无法通过熔焊等达到连接效果，而用的最多的焊接方法就是钎焊、扩散焊、瞬间液相扩散焊、自蔓延高温合成焊接法和辅助脉冲电流扩散焊。陶瓷的连接主要有两个问题要解决：一个是CMC与金属的润湿性的问题，对此我们可以对陶瓷进行金属化处理或者用活性金属元素解决；另一个则是应力缓解问题，对此一般看法是通过增加中间层解决[2]。本文主要研究扩散焊过程中中间层的界面反应。
1.2 扩散焊基本原理及理论模型
1.2.1扩散焊的基本原理
扩散焊是研究较多的金属陶瓷连接方式，其主要优点是接头质量稳定、耐蚀性好和连接强度高，适用于高温和耐蚀条件下的焊接。扩散焊是指待焊表面靠近接触，提供一定的压力和温度，基于原子扩散理论两侧母材表面原子相互扩散渗透，从而达到有效的冶金结合[3]。
扩散焊具体连接机理尚无定论，从不同角度出发不同学者给出不同答案如再结晶理论、位错理论、卡扎何夫扩散理论、西苗诺夫能量学说、薄膜学说等。总结前人研究所得的学说理论，焊接过程三阶段[3]的理论较为大家认可：
第一阶段为物理接触，被连接表面在压力和温度作用下，粗糙表面的微观凸起首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，并紧密接触，最终达到整个面的可靠接触；
第二阶段是接触界面原子间的相互扩散和再结晶，形成牢固的结合层；
第三阶段是在接触部分形成的结合层中，原子扩散逐渐向纵深发展，形成可靠连接接头。
这三个过程并不是截然分开的，而是相互交叉进行，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，有时生成金属间化合物，形成可靠连接口。
1.2.2扩散焊的界面模型
关于扩散连接的模型和机理有以下几个方面：基于界面几何模型的界面空洞消失机理；界面扩散和体积扩散机理；塑性变形和粘塑性变形机理等。
扩散焊的参数选择长久以来依赖经验导致存在必然的误差。为了指导扩散焊焊接参数的选择，广大科研工作者研究扩散焊的连接机理，提出了诸多界面模型。我们知道，无论对待焊表面怎么加工，微观层面来看表面都是粗糙不平的。最早的扩散焊机理由Parks于上世纪50年代提出，认为焊接过程是一个扩散接触区域在压力作用下的再结晶过程。随后理论进一步更正与深入，King和Owczarski把扩散连接过程分为3个阶段：初始塑性变形、界面处大部分空洞的减小和孤立残余空洞的消失。后人对于扩散焊机理的研究皆是基于其思想，主要研究空洞闭合过程。
1.2.2.1 界面几何模型
界面几何模型的选择对后来的理论推导有极大影响，因而选择一个合适的几何模型极为重要。对于界面的几何模型，前人提出诸多假设。扩散连接界面的几何形状貌似长而近似平行的山脊，国内外用不同的手段描述这种形貌的近似，Derby、wallachRidley[4]和Takallashi[5]认为可以通过近似直边的模型来描述这种几何形貌；Ridley和Guo[6]提出一种seIniIenticular界面形状，然而在实际中出现了与之相反的情况；Klaphaak[7]最早提出一种正弦波形形貌模型，同时Takahash[6]认为正弦波形扩散模型在扩散初期空洞的连接处会出现相反的扩散，而N.Orhan，M.Aksoy，M.Erolu在[8]中详细给出了这种界面几何模型的扩散机理，论述了扩散界面形貌为正弦波的情况，具体内容如下：
图11为正弦界面空洞模型，这种模型的前提条件：
a) 两个界面的接触方式如图l1所示中那样的，在接触处将立即得到焊接接头；
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