Published on 11/25/2016
Categories: Aerospace

钛材料扩散键合:终极指南

钛材料扩散键合:终极指南

在本文中,我将着重介绍的扩散键合,因为钛是所有普通工程材料中最易通过扩散键合来连接的材料,而这是由于钛能够在键合温度下溶解自身氧化物。那么,让我们来详细了解扩散键合原理、它何以成为钛(Ti)和钛合金的首选连接方法,以及真空炉中钛的扩散键合需要哪些热循环。此外,我还将介绍有关扩散键合应用的几个例子。

扩散键合的工作原理

扩散键合,亦称扩散焊,是一个固态连接过程。这种键合技术以元素在接合面上的原子扩散为基础。在对异种工程材料进行坚固接合以制造工程设备和结构方面,扩散键合是一种非常受欢迎的工艺。这一工艺在航空航天工业中被广泛应用于无法通过其他方法完成的特殊材料和形状的连接(如多翼通道和蜂窝结构)。

扩散键合可以完成其他工艺无法完成的热物理特性不同的异质材料接合。金属、合金、陶瓷和粉末冶金产品均可通过扩散键合工艺连接,且宏观变形程度极小。制造形状或截面复杂的高精度零件时无需后续加工。这意味着可以实现良好的产品尺寸公差。扩散键合工艺可以最大程度减小化学异质性。此外,该技术还可避免裂纹、变形和偏析等常见缺陷

为了在异质金属间形成冶金接头,必须通过较高的接合温度和材料之间的保温时间来达到更快的扩散速率。今天,大多数键合操作都是在真空炉中进行。扩散键合依赖温度、压力、时间和(超低)真空度来促进原子在整个接合面的交换。

为什么针对钛金属采用扩散键合方法

钛(Ti)具有比强度高、抗冲蚀性能好、高温性能佳等优点,是广泛应用于工业应用的一种优良材料。其强度比钢高30%,但重量轻40%,而尽管比铝重60%,但强度是铝的两倍。此外,钛还与铝(Al)、锰(Mn)、铁(Fe)、钼(Mo)和其他金属结合使用,以进一步提高其出色的强度(特别是在火箭发动机燃料的高温条件下)及其抗腐蚀性能。

航空航天工业中,钛用于制造机翼的结构部件以及飞机液压系统的外壳、飞机发动机的各种部件和航天器的舱室,在这些领域钛的卓越质量均无可替代。钛的优异特性在海事环境中有许多用途,可用于船舶上的螺旋桨或可能腐蚀的其他部件,也可用于潜艇设备。在}军事部门,钛及钛合金被用于生产火箭、导弹和其他设备。在医学领域,钛被用来制作髋关节和膝关节置换、心脏起搏器、骨板和螺钉以及颅骨骨折所需的颅板。石油化工和海上石油平台以及摩托车生产领域对钛的需求也正在增加。

随着钛及其合金的广泛应用,钛及其合金的连接工艺引起了人们的极大关注。遗憾的是,钛及钛合金的焊接很困难,因为这些材料在高温下具有高度的化学反应性,并且在非常低的氧分压下即易发生氧化。在焊接过程中,钛合金极易从大气中吸收氧气和氮气。因此,真空扩散键合便成为钛及其合金的首选连接方法。

现在让我们来从钛的扩散键合所需热循环的角度探讨真空扩散键合。此外,我还将介绍有关扩散键合应用的几个例子。

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真空炉如何在钛的扩散键合中发挥作用

就钛扩散键合所需的热循环而言,真空炉必须在高温和高压氩气体环境中运行。需要以真空来消除即使是最小量的氢,而除了特别要消除氢元素外,还需消除氧气、氮气和水蒸气等其他气体或蒸气。真空也对部件的清洁度起着关键作用,而清洁度是确保成功处理的一项关键要求。真空具备这一作用是因为它能够在低温下消除油或溶剂蒸气和微量水分,并能够指示是否要因为污染物蒸发而中断循环,以避免热处理流程遭到破坏。真空条件一直保持到达到键合温度,并且只有在达到此温度时,气体压力才达到工艺设定。鉴于所涉及的通常是大型设备,因此需要大量氩气,而这种方法可以通过温度来增压,从而减少需要的氩气量。

高温高压不是传统热处理真空炉的典型特点,传统真空炉设计有一个水冷真空室和一个将热区与容器冷壁分隔的热室。加压气体往往会中和热室所用材料的隔热能力,而材料的气体渗透性越大,这种效应就越明显。在极高温(2000°C)和超高压(数百巴)环境下运转的真空炉采用独立于容器的防护罩来提供保护,以便通过专门设置的水冷回路来拦截热流。由于要应对高压,容器壁非常厚,因此无法通过使用冷却外罩里确保不超过内表面的最高温度。这会带来容器爆炸的风险!

用于钛扩散键合的熔炉中,温度可达到1000℃左右,压力达数十巴,这意味着使用石墨板来隔离热区仍然可行。但是,对流引入的温差层必须通过确保热室的垂直向不对称设计(包括在热隔离(非均匀厚度)和电阻两个方面)来加以抵消。这种结构与真空炉的一般设计完全不同。它通过各种条件的最高对称性获得均匀辐照,并且需要制造商具备更丰富的经验。

扩散键合的最佳应用领域

今天,扩散键合可用来焊接叶片的两个横向元件以及中间的另一个钛质形状,以生产涡轮叶片。内部形状的裸露表面覆盖有一层陶瓷粉尘。焊接处理完成后,使用压力吹扫各面并提升中间金属的边缘。这一解决方案是蜂窝结构的替代方法。然后,通过模具中的热压,给零件赋予翼型叶片典型的扭转形状。使用这种方法生产的叶片可以提高发动机的性能。我们认为这得益于高温下更大的形状阻力。

另一项应用是生产用于海洋环境并与海水接触的钛换热器。在这项应用中采用了与上述同样的技术,并在类似的真空炉中完成。在这种情况下,元件之间也插入了一层陶瓷粉尘,从而确定出不能发生扩散的区域。在热交换器的各种元件均完成接合之后将引入加压气体,这将分离非焊接表面,形成液体通过热交换器的内部通道。一般来说,这些产品体积较大,因此钛材料的好处不仅体现在其抗腐蚀性,而且还可减轻重量,而这对于此类使用环境而言非常重要。

最后,我将介绍真空炉扩散键合技术在生产汽车结构元件方面的应用。这一应用解决了传统TIG键合工艺中存在的问题。TIG键合生产出的接头不能提供通过扩散键合工艺所生产接头的相同质量保证。TIG键合的焊缝会出现中断并导致孔隙,因此很难达到良好的光洁度。

那么,您对扩散键合怎么看? 您是否知道这种工艺的其他用途?

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