专利名称：一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法
技术领域：
本发明涉及异种材料间的连接，本连接方法有效解决了物理、化学和冶金性能差异显著的两异种材料间的连接，特别是解决了熔点差值高达40(T80(TC的异种金属间或金属与非金属间的连接问题。
背景技术：
扩散焊是指在一定的温度、压力、保护介质等工艺条件下保持一段时间，使紧密贴合的焊件界面处的不平处产生微观塑性变形并发生原子相互扩散而形成联接的焊接方法， 通常也称为固相扩散焊，已广泛用于反应堆燃料元件、蜂窝结构板、静电加速管、各种叶片、 叶轮、冲模、过滤管和电子元件等的制造，尤其是异种材料间的连接。扩散焊对待焊表面质量要求高，焊接时间较长，接头质量不稳定。瞬间液相(简称TLP)扩散连接是在被焊金属表面间加入中间层合金，依靠中间层合金在焊接过程中发生熔化或是与母材之间发生共晶反应产生过渡液相并在保温的过程中凝固，中间层与焊件界面间原子相互扩散形成焊接接头的一种连接工艺。TLP工艺结合了钎焊和固相扩散焊的优点，生产率高、焊接时间短，接头强度高，没有明显的界面和焊接残留物，通过成分均勻化处理可以得到组织成分均勻且性能同母材相近的接头，在工业生产中广阔的应用前景。扩散焊与TLP连接用于异种材料连接具有独特优势，已经得到了广泛的认可和应用。但是在实际工业应用中，经常有需要对物理、化学和冶金性能差异显著的两异种材料间的连接，由于焊件材料性质尤其是熔点差异大，有的异种金属间的熔点差值甚至高达 40(T80(TC，如果采用单一的扩散焊或TLP连接对这样差异很大的两异种材料间连接时，就会导致焊接温度高时虽有利于扩散但会引起低熔点母材的熔化或烧损，焊接温度低时又会出现界面间扩散不良的问题。因此目前对差异显著的两异种材料间的连接还无能为力，只能进行差异较小的两异种材料间的连接。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种分段式高温固态扩散 /低温TLP复合连接方法，本方法有效解决了单独利用扩散焊或TLP焊对物理、化学和冶金性能差异显著的异种材料进行连接时，由于焊件材料性质尤其是熔点差异大，导致焊接温度高时虽有利于扩散但会引起低熔点母材的熔化或烧损，焊接温度低时又会出现界面间扩散不良的问题。本发明的技术方案是这样实现的一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，两异种材料间的熔点差值为40(T800°C，熔点相对高的称之为高熔点母材，熔点相对低的称之为低熔点母材，采用熔点介于两母材熔点之间的金属材料作为中间层，其连接步骤为
1)先利用固相扩散焊将中间层一端与高熔点母材焊合，焊接温度高于低熔点母材熔点温度而低于中间层熔点温度；
2)然后在低于低熔点母材熔点的焊接温度条件下，利用瞬间液相连接技术将中间层另一端与低熔点母材连接，从而通过中间层实现两异种材料间的连接。两异种材料均为金属或者一种为金属，另一种为非金属，非金属为陶瓷。所述第1)步的焊接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和高熔点母材的外端各通过压头向中间施加载荷，该载荷采用恒压或脉冲加压方式；高熔点母材和对应的压头之间以及中间层和对应的压头之间设有钽片，钽片的两个工作面各设有润滑用石墨膏。所述第2)步的连接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和低熔点母材结合面间通过陶瓷片施加大小为0. 2^0. 5MPa的恒定载荷。与现有技术相比，本发明具有以下优点
1.本发明可用于对物理、化学和冶金性能差异显著的异种材料进行连接，如异种金属间或金属与非金属间的连接，特别能实现熔点差值达40(T80(TC的异种材料间的连接。2.本发明在保证高熔点母材与中间层间元素充分相互扩散的同时，能够有效防止低熔点母材在焊接过程中发生熔化。3.本发明利用高温固态扩散和低温TLP复合连接技术，利于促进接头成分均勻化和提高连接强度。4.本发明工艺过程简单，成本不高，易于实现。总之，本方法通过分段式异种材料高温固态扩散/低温TLP复合连接方法，将扩散焊与TLP焊两种连接方法的优势结合起来，用于物理、化学和冶金性能差异显著的异种材料间连接，在保证高熔点母材与中间层充分扩散的同时，可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化，从而实现焊件间的有效连接。
图1-本发明第一阶段一高熔点母材与中间层高温固态扩散连接示意图。图2-本发明第二阶段一低熔点母材通过中间层与高熔点母材TLP连接示意图。图3-本发明第一阶段高温固态扩散连接(恒压)一个实施例工艺示意图。图4-本发明第一阶段高温固态扩散连接(脉冲加压)一个实施例工艺示意图。其中，1-载荷；2-压头；3-石墨膏；4-钽片；5-高熔点母材；6_中间层；7_恒定载荷；8-陶瓷片；9-低熔点母材。
具体实施例方式
本发明的思路为两异种材料间的熔点差值为40(T80(TC，熔点相对高的称之为高熔点母材，熔点相对低的称之为低熔点母材，采用熔点介于两母材熔点之间的金属材料作为中间层，针对性地采取两步连接方法，在保证高熔点母材与中间层充分扩散的同时，防止低熔点母材在焊接过程中发生熔化先利用高温固态扩散连接将中间层与高熔点母材进行高温固态扩散连接(High-Temperature Solid-State Diffusion Bonding)，根据扩散方程，元素的扩散系数会随着温度升高呈指数提高，通过高温固态扩散连接工艺就能保证高熔点母材与中间层间元素充分发生相互扩散，形成良好的冶金接合；然后在低于低熔点母材熔点的焊接温度条件下，利用低温瞬间液相连接技术(Low-Temperature Transient Liquid-Phase (TLP) Bonding)，在低熔点母材与中间层间产生一定量的液相来实现低熔点母材与中间层的焊合，TLP连接工艺能够降低待焊表面制备的质量要求，减少焊接时间并提高接头质量的稳定性，从而最终实现焊件间的有效连接。其具体实现过程为
1)第一阶段-先利用固相扩散焊将中间层6 —端与高熔点母材5焊合，焊接温度高于低熔点母材熔点温度而低于中间层熔点温度，如图1所示。在较高焊接温度条件下实施连接可以促进高熔点母材与中间层间元素充分相互扩散。为保证连接工艺过程实施，本步的焊接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和高熔点母材的外端各通过压头 2向中间施加载荷1，该载荷采用恒压或脉冲加压方式。高熔点母材5和对应的压头2之间以及中间层6和对应的压头2之间设有钽片4以防止待焊材料与压头直接接触，钽片4的两个工作面与对应的结合部件间各设有润滑用石墨膏3。2)第二阶段-低熔点母材9通过中间层6与高熔点母材5进行低温TLP连接。连接过程在低于低熔点母材熔点温度的条件下进行，可以防止低熔点母材在焊接过程中发生熔化。利用低温瞬间液相连接技术，在低熔点母材9与中间层6之间产生一定量的液相，液相金属可填充缝隙，也使液相中的某些元素向母材扩散，最后形成冶金结合，实现低熔点母材9与高熔点母材5的有效连接。本步骤同样在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层6和低熔点母材9结合面间通过陶瓷片8施加大小为0. 2^0. 5MPa的恒定载荷7，见图 2。陶瓷片8用以防止待焊材料与载物台和施加微弱载荷的器件直接接触。本发明可用于实现熔点差值为40(T80(TC的异种金属间或金属与非金属间的连接，利用高温固态扩散和低温TLP复合连接技术，利于促进接头成分均勻化和提高连接强度。本发明第一阶段所使用的固相扩散焊和第二阶段使用的TLP焊接方法与常规固相扩散焊和TLP连接方法并无本质不同。以下给出两个具体实施例以帮助对本发明的理解。实施例1 利用分段式高温固态扩散/低温TLP复合连接方法以厚度为150 μ m的铜箔作为中间层焊接直径为16mm的AZ31B镁合金与304L不锈钢异种材料。工艺参数为 高温固态扩散阶段温度为850° C，脉冲载荷为5 20MPa，时间为20分钟；低温TLP阶段 温度为495° C，外加载荷为0. 2MPa,时间为10分钟。微观分析结果表明，实现了有效连接。实施例2 利用分段式高温固态扩散/低温TLP复合连接方法以厚度为150 μ m的铜箔作为中间层焊接直径为16mm的5083铝合金与304L不锈钢异种材料。工艺参数为高温固态扩散阶段温度为850° C，脉冲载荷为5 20MPa，时间为20分钟；低温TLP阶段温度为555° C，外加载荷为0.2MPa，时间为5分钟。微观分析结果表明，实现了有效连接。实施例3 利用恒定载荷高温固态扩散连接方法焊接直径为16mm的TA17钛合金与0Crl8Ni9Ti不锈钢异种材料。第一阶段的工艺参数为温度为850° C，恒定载荷为 5MPa，保温时间为10分钟；升温速度和降温速度均为5° C/s，见图3。微观分析结果表明，实现了有效连接。 实施例4 利用脉冲载荷高温固态扩散连接方法焊接直径为16mm的TA17钛合金与0Crl8Ni9Ti不锈钢异种材料。第一阶段的工艺参数为温度为850° C，脉冲载荷为 5 20MPa，脉冲频率为0. 5Hz，脉冲次数为300次，保温时间为10分钟；升温速度和降温速度均为5° C/s，见图4。微观分析结果表明，实现了有效连接。
权利要求
1.一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，其特征在于两异种材料间的熔点差值为400 800°C，熔点相对高的称之为高熔点母材，熔点相对低的称之为低熔点母材，采用熔点介于两母材熔点之间的金属材料作为中间层，其连接步骤为1)先利用固相扩散焊将中间层一端与高熔点母材焊合，焊接温度高于低熔点母材熔点温度而低于中间层熔点温度；2)然后在低于低熔点母材熔点的焊接温度条件下，利用瞬间液相连接技术将中间层另一端与低熔点母材连接，从而通过中间层实现两异种材料间的连接。
2.根据权利要求1所述的分段式高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，其特征在于两异种材料均为金属或者一种为金属，另一种为非金属，非金属为陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的分段式高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，其特征在于所述第1)步的焊接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和高熔点母材的外端各通过压头向中间施加载荷，该载荷采用恒压或脉冲加压方式；高熔点母材和对应的压头之间以及中间层和对应的压头之间设有钽片，钽片的两个工作面各设有润滑用石墨膏。
4.根据权利要求3所述的分段式高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，其特征在于所述第2)步的连接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和低熔点母材结合面间通过陶瓷片施加大小为0. 2 0. 5MPa的恒定载荷。
全文摘要
本发明公开了一种分段式异种材料高温固态扩散/低温瞬间液相复合连接方法，两异种材料间的熔点差值为400~800℃，采用熔点介于两母材熔点之间的金属材料作为中间层，先利用固相扩散焊将中间层一端与高熔点母材焊合，焊接温度高于低熔点母材熔点温度而低于中间层熔点温度；然后在低于低熔点母材熔点的焊接温度条件下，利用瞬间液相连接技术将中间层另一端与低熔点母材连接。本发明可用于对物理、化学和冶金性能差异显著的异种材料进行连接，如异种金属间或金属与非金属间的连接，特别能实现熔点差值达400~800℃的异种材料间的连接。
文档编号B23K20/22GK102248274SQ20111017928
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘蒙恩, 李佳, 盛光敏, 罗军, 袁新建, 赵国际 申请人:重庆大学