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          鈦材料擴散鍵合:終極指南

          發布時間:2019-05-04瀏覽:1203次
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          在本文中,我將著重介紹的擴散鍵合,因為鈦是所有普通工程材料中最易通過擴散鍵合來連接的材料,而這是由于鈦能夠在鍵合溫度下溶解自身氧化物。那么,讓我們來詳細了解擴散鍵合原理、它何以成為鈦(Ti)和鈦合金的首選連接方法,以及真空爐中鈦的擴散鍵合需要哪些熱循環。此外,我還將介紹有關擴散鍵合應用的幾個例子。

          擴散鍵合的工作原理

          擴散鍵合,亦稱擴散焊,是一個固態連接過程。這種鍵合技術以元素在接合面上的原子擴散為基礎。在對異種工程材料進行堅固接合以制造工程設備和結構方面,擴散鍵合是一種非常受歡迎的工藝。這一工藝在航空航天工業中被廣泛應用于無法通過其他方法完成的特殊材料和形狀的連接(如多翼通道和蜂窩結構)。

          擴散鍵合可以完成其他工藝無法完成的熱物理特性不同的異質材料接合。金屬、合金、陶瓷和粉末冶金產品均可通過擴散鍵合工藝連接,且宏觀變形程度極小。制造形狀或截面復雜的高精度零件時無需后續加工。這意味著可以實現良好的產品尺寸公差。擴散鍵合工藝可以最大程度減小化學異質性。此外,該技術還可避免裂紋、變形和偏析等常見缺陷。

          為了在異質金屬間形成冶金接頭,必須通過較高的接合溫度和材料之間的保溫時間來達到更快的擴散速率。今天,大多數鍵合操作都是在真空爐中進行。擴散鍵合依賴溫度、壓力、時間和(超低)真空度來促進原子在整個接合面的交換。

          為什么針對鈦金屬采用擴散鍵合方法

          鈦(Ti)具有比強度高、抗沖蝕性能好、高溫性能佳等優點,是廣泛應用于工業應用的一種優良材料。其強度比鋼高30%,但重量輕40%,而盡管比鋁重60%,但強度是鋁的兩倍。此外,鈦還與鋁(Al)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鉬(Mo)和其他金屬結合使用,以進一步提高其出色的強度(特別是在火箭發動機燃料的高溫條件下)及其抗腐蝕性能。

          航空航天工業中,鈦用于制造機翼的結構部件以及飛機液壓系統的外殼、飛機發動機的各種部件和航天器的艙室,在這些領域鈦的卓越質量均無可替代。鈦的優異特性在海事環境中有許多用途,可用于船舶上的螺旋槳或可能腐蝕的其他部件,也可用于潛艇設備。在}軍事部門,鈦及鈦合金被用于生產火箭、導彈和其他設備。在醫學領域,鈦被用來制作髖關節和膝關節置換、心臟起搏器、骨板和螺釘以及顱骨骨折所需的顱板。石油化工和海上石油平臺以及摩托車生產領域對鈦的需求也正在增加。

          隨著鈦及其合金的廣泛應用,鈦及其合金的連接工藝引起了人們的極大關注。遺憾的是,鈦及鈦合金的焊接很困難,因為這些材料在高溫下具有高度的化學反應性,并且在非常低的氧分壓下即易發生氧化。在焊接過程中,鈦合金極易從大氣中吸收氧氣和氮氣。因此,真空擴散鍵合便成為鈦及其合金的首選連接方法。

          現在讓我們來從鈦的擴散鍵合所需熱循環的角度探討真空擴散鍵合。此外,我還將介紹有關擴散鍵合應用的幾個例子。

          真空爐如何在鈦的擴散鍵合中發揮作用

          就鈦擴散鍵合所需的熱循環而言,真空爐必須在高溫和高壓氬氣體環境中運行。需要以真空來消除即使是最小量的氫,而除了特別要消除氫元素外,還需消除氧氣、氮氣和水蒸氣等其他氣體或蒸氣。真空也對部件的清潔度起著關鍵作用,而清潔度是確保成功處理的一項關鍵要求。真空具備這一作用是因為它能夠在低溫下消除油或溶劑蒸氣和微量水分,并能夠指示是否要因為污染物蒸發而中斷循環,以避免熱處理流程遭到破壞。真空條件一直保持到達到鍵合溫度,并且只有在達到此溫度時,氣體壓力才達到工藝設定。鑒于所涉及的通常是大型設備,因此需要大量氬氣,而這種方法可以通過溫度來增壓,從而減少需要的氬氣量。

          高溫高壓不是傳統熱處理真空爐的典型特點,傳統真空爐設計有一個水冷真空室和一個將熱區與容器冷壁分隔的熱室。加壓氣體往往會中和熱室所用材料的隔熱能力,而材料的氣體滲透性越大,這種效應就越明顯。在極高溫(2000°C)和超高壓(數百巴)環境下運轉的真空爐采用獨立于容器的防護罩來提供保護,以便通過專門設置的水冷回路來攔截熱流。由于要應對高壓,容器壁非常厚,因此無法通過使用冷卻外罩里確保不超過內表面的最高溫度。這會帶來容器爆炸的風險!

          用于鈦擴散鍵合的熔爐中,溫度可達到1000左右,壓力達數十巴,這意味著使用石墨板來隔離熱區仍然可行。但是,對流引入的溫差層必須通過確保熱室的垂直向不對稱設計(包括在熱隔離(非均勻厚度)和電阻兩個方面)來加以抵消。這種結構與真空爐的一般設計完全不同。它通過各種條件的最高對稱性獲得均勻輻照,并且需要制造商具備更豐富的經驗。

          擴散鍵合的最佳應用領域

          今天,擴散鍵合可用來焊接葉片的兩個橫向元件以及中間的另一個鈦質形狀,以生產渦輪葉片。內部形狀的裸露表面覆蓋有一層陶瓷粉塵。焊接處理完成后,使用壓力吹掃各面并提升中間金屬的邊緣。這一解決方案是蜂窩結構的替代方法。然后,通過模具中的熱壓,給零件賦予翼型葉片典型的扭轉形狀。使用這種方法生產的葉片可以提高發動機的性能。我們認為這得益于高溫下更大的形狀阻力。

          另一項應用是生產用于海洋環境并與海水接觸的鈦換熱器。在這項應用中采用了與上述同樣的技術,并在類似的真空爐中完成。在這種情況下,元件之間也插入了一層陶瓷粉塵,從而確定出不能發生擴散的區域。在熱交換器的各種元件均完成接合之后將引入加壓氣體,這將分離非焊接表面,形成液體通過熱交換器的內部通道。一般來說,這些產品體積較大,因此鈦材料的好處不僅體現在其抗腐蝕性,而且還可減輕重量,而這對于此類使用環境而言非常重要。

          最后,我將介紹真空爐擴散鍵合技術在生產汽車結構元件方面的應用。這一應用解決了傳統TIG鍵合工藝中存在的問題。TIG鍵合生產出的接頭不能提供通過擴散鍵合工藝所生產接頭的相同質量保證。TIG鍵合的焊縫會出現中斷并導致孔隙,因此很難達到良好的光潔度。


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