基于块体非晶合金的瞬时过冷液相扩散连接研究

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扩散连接技术是一种精密的连接方法,有着接头强度高,变形小,成型美观等优点,同时还能焊接异种材料,如陶瓷与金属、铁与铜等,是当前材料科学领域的研究热点。本文提出了一种新型扩散焊接方法——瞬时过冷液相扩散连接方法,该方法是以块体非晶合金作为中间层,利用其在过冷液相区的超塑性连接母材,然后升高温度通过原子相互扩散实现冶金结合的焊接方法。本文以Cr18Mn18N高氮钢及TiAl-Ni(GH4049)异种材料为研究对象,通过XRD、 SEM、DSC、EDS、显微硬度、拉伸强度等分析方法,分析了连接接头的微观形貌、组织成分和力学性能,主要研究结果如下:1)本文提出了瞬时过冷液相扩散连接,分析了瞬时过冷液相扩散连接基本原理和特点,描述其主要过程,并与其他焊接方法对比。通过实验证明这种方法可以在高氮钢和TiAl-Ni异种金属的相变点以下实现材料的有效连接。2)通过Pilling模型描述瞬时过冷液相扩散连接的过程,主要分为塑形变形阶段,缩孔阶段,其中缩孔阶段主要依靠塑形变形、原子扩散方式来缩孔。在第二阶段初期主要依靠塑形变形来提高界面接触面积,随着连接的进行,之后原子的扩散占据了主要作用。并以公式描述瞬时过冷液相扩散连接的连接温度、外加压强及完成连接所需时间之间的规律,模拟Zr50Al15Ni10Cu25非晶合金在TiAl-Ni高温合金中以5MPa/773~1113K条件下完成高质量连接的下限时间为3.86ks左右。3)通过机械合金化方法制备了Fe60Cr15Mn10N15块体非晶合金粉末,通过DSC分析可知所制备非晶的相关参数为:玻璃转变温度Tg=437℃,晶化温度Tx=519℃,过冷液相区宽度ΔTx=82℃。以Fe60Cr15Mn10N15非晶合金作为中间层,对Cr18Mn18N高氮钢进行瞬时过冷液相扩散连接。随着扩散温度和保温时间的提高,界面冶金结合良好,接头力学性能有所提高。在高氮钢的固溶相变温度以下,连接压力为5MPa时,当连接温度为480℃时保温30min,扩散温度为950℃时保温90min后所得到的接头力学性能最高,接头强度最高达到了432MPa;4) 以Zr50Al15Ni10Cu25非晶合金作为中间层,对TiAl-Ni (GH4049)异种材料进行瞬时过冷液相扩散连接,接头结合良好,接头力学性能随连接温度的升高和扩散时间的延长而得到改善。在GH4049合金时效相变温度以下,连接压力为5MPa时,当连接温度480℃时保温30min,扩散温度为880℃时保温90min后所得到的接头力学性能最高,接头强度最高达到了412MPa。
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