1、TLP擴(kuò)散連接的動力學(xué)模型 陳思杰河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議一、研究對象、范疇 瞬時液相擴(kuò)散連接（Transient liquid-phase bonding簡稱TLP）的模型與工藝，屬于材料科學(xué)的擴(kuò)散與相變的理論范疇，傳統(tǒng)的工藝強(qiáng)調(diào)的是材料在連接過程中通過降低熔點元素的擴(kuò)散發(fā)生等溫凝固，實際研究中，TLP連接的模型可以是非平衡的。例如，具有溫度梯度的TLP連接工藝模型， TLP連接雙溫連接模型，后兩種模型和傳統(tǒng)的瞬時液相擴(kuò)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)

2、和擴(kuò)散過程，提高連接接頭的使用性能。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議國外的研究概況： 20世紀(jì)70年代初，Duall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)瞬時液相擴(kuò)散連接技術(shù)，并且將該技術(shù)成功的應(yīng)用于JT9D渦輪發(fā)動機(jī)的葉片焊接，焊接接頭有效率99.8%，實現(xiàn)了TLP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(qiáng)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(qiáng)度，還要求結(jié)構(gòu)具有良好的斷裂韌性、抗腐

3、蝕性、耐磨性以及耐高溫等性能，進(jìn)一步促進(jìn)了TLP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、有色金屬、電子器件、先進(jìn)陶瓷和異種材料的連接方面都有研究。二、國內(nèi)外研究進(jìn)展第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議國內(nèi)TLP連接方面的研究概況1、北京航空材料研究院，李曉紅 毛唯 郭萬林 謝永慧 等人主要對國內(nèi)自行研制第一代鎳基單晶高溫合金DD3，第二代單晶合金DD6進(jìn)行過渡液相擴(kuò)散焊(TLP擴(kuò)散焊)工藝進(jìn)行了研究。2、東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 ，借鑒TLP連接技術(shù)在其它領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提出利用4045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-3

4、003鋁合金復(fù)合板的新工藝。3、哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室，許志武、 閆久春等人研究了鋁基復(fù)合材料瞬問液相擴(kuò)散焊接（TLP）接頭金相組織。錢乙余馮吉才何鵬等人對TiAl與40Cr鋼之間的擴(kuò)散連接進(jìn)行了研究。4、北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，曲文卿 、莊鴻壽、 張彥華等對SiC顆粒增強(qiáng)A1基復(fù)合材料與A1合金的TLP擴(kuò)散連接試驗，對異種材料TLP擴(kuò)散連接過程存在的非對稱性進(jìn)行了深入的研究，并對異種材料TLP擴(kuò)散連接過程的等溫凝固動力學(xué)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。5、清華大學(xué)機(jī)械系鄒貴生 、吳愛萍等研究了Ti/Ni/Ti復(fù)合層TLP擴(kuò)散連接Si3N4陶瓷的機(jī)理。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及

5、數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議三、 TLP連接模型簡介1、TLP 與TG-TLP簡介 TLP連接原理是將某種中間層合金置入連接界面，加熱至連接溫度，中間層含有降熔元素（MPD）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，中間層合金與基體發(fā)生元素擴(kuò)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。 近年來在連接工藝上也在不斷發(fā)展，例如劍橋大學(xué)的A.A.Shirzadi與E.R.Wallach提出了一種“帶有溫度梯度的TLP擴(kuò)散焊(Temperature gradient-transient liquid-phase bonding 簡稱TG-TLP)”的新工

6、藝，突破了傳統(tǒng)的TLP擴(kuò)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TLP連接情況下所得的平面狀變?yōu)榉瞧矫鏍?正弦狀或胞狀)，增加了沿非平面狀界面上的金屬-金屬之間的接觸面積；將殘留的難熔氧化物粒子在接合線(bondline)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布。這樣與傳統(tǒng)TLP連接相比，提高了接頭的剪切強(qiáng)度，并避免了接頭質(zhì)量的隨機(jī)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(xué)術(shù)會議2、TLP等溫凝固的的傳統(tǒng)模型圖1 TLP連接的 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(xué)術(shù)會議3、TG-TLP連

7、接模型中過冷度的形成 C0-遠(yuǎn)離界面的液體成分 k-溶質(zhì)分配系數(shù) V-界面移動速度 D-液體中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù) 圖2、TG-TLP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(xué)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(xué)術(shù)會議5、存在的問題及雙溫TLP連接模型的提出 TLP擴(kuò)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(kuò)散本質(zhì)上講，是溶質(zhì)在固相區(qū)的擴(kuò)散過程，受固相擴(kuò)散速度的控制。中間層熔化后，有害的難溶

8、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，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(qiáng)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(qiáng)度23。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(jìn)方式是改善接頭性能的重要研究課題。在傳統(tǒng)的TLP擴(kuò)散連接理論和模型的基礎(chǔ)上，建立新的TLP擴(kuò)散連接模型，對于TLP擴(kuò)散連接理論的發(fā)展具有重要的意義。TG-TLP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。 TLP 擴(kuò)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

9、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。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議6、瞬時液相擴(kuò)散連接雙溫模型簡介（1）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制是連接成功的關(guān)鍵，等溫凝固過程是降熔元素擴(kuò)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，使等溫凝固在一定的過冷度下進(jìn)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，提高焊縫力學(xué)性能。因此，設(shè)想在傳統(tǒng)TLP連接工藝的基礎(chǔ)上，為了使中間層充分熔化，提高潤濕性

10、，可以先加熱到接近基體熔點的高溫使中間層熔化，然后快速冷卻到一個較低的溫度下進(jìn)行等溫凝固。等溫凝固結(jié)束后，冷卻到室溫完成連接過程。 第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議（2）傳統(tǒng)TLP工藝模型的液固界面濃度分布圖4 傳統(tǒng)TLP 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(xué)術(shù)會議雙溫模型過冷度的形成與凝固機(jī)理 圖5 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(xué)術(shù)會議四、試驗條件與結(jié)果1、TLP擴(kuò)散連接試驗機(jī) 圖6 TLP擴(kuò)散連接試驗機(jī)第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議2 實際連接過程與試樣 圖7 實際連接過程和試樣第五屆全國材料與熱加工物

11、理模擬及數(shù)值模擬學(xué)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(xué)術(shù)會議 T91鋼不同TLP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 bondedFig.10 A comparison of SEM of T91 steel TLP bonded join

12、t 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 process第五屆全國材料與熱加工物理模擬及數(shù)值模擬學(xué)術(shù)會議四 結(jié)束語 1、瞬時液相擴(kuò)散連接的本質(zhì)就是中間層的熔化與結(jié)晶的過程，其中的動力是溶質(zhì)或降低熔點元素(MPD)的擴(kuò)散，對于一定的連接材料，首先要選擇合適的中間層，用母材加入MPD元素形成低熔點的共晶合金做連接的中間層，對有效縮短連接時間，提高接頭的性能是十分有利的。 2、控制TLP連接工藝過程，不僅要根據(jù)具體條件確定連接工藝參數(shù)，更重要