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铍/HR-1不锈钢扩散焊和钎焊及其界面特性研究

作　者: 张鹏程
导　师: 邹觉生
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核燃料循环与材料
关键词: 铍 HR-1不锈钢扩散焊界面特性中间相
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

金属铍具有密度低、比强度和比热高、导热性能好等优点，因而广泛应用于核能、航空和航天等工业。铍与HR-1不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)间的连接，具有强烈的应用背景和现实意义。熔化焊、钎焊、扩散焊及胶接等是可以实现其连接的方法。胶接存在本身强度低、易老化、不耐高温等缺点，其工程应用受到了很大限制。铍的熔化焊由于热影响区对热特别敏感及焊接裂纹等而存在很大困难。因此本文主要研究了铍与HR-1不锈钢的扩散焊和钎焊及其焊接界面特性，结果表明，这两种焊接方法能实现二者有效连接。国内未曾研究过铍与HR-1奥氏体不锈钢的扩散焊和钎焊，国外相关研究表明，采用扩散焊和钎焊连接铍与316L不锈钢成功的可能性较大，但是焊接时脆性中间相的生成也会导致焊接应力和裂纹。有关扩散焊工艺参数的选择、中间层材料选择、扩散机理、脆性中间相形成机理、连接界面区的表征等方面都还存在着许多问题需要仔细研究。本研究一方面用扩散焊和钎焊的方法连接铍与HR-1不锈钢，着重研究焊接区的成分、组织和性能，探索克服和减少脆性中间相形成，提高连接性能的工艺。另一方面利用有限元方法模拟了铍与HR-1不锈钢扩散焊区的浓度分布，模拟结果对合理制定工艺具有指导意义。本文对铍与HR-1不锈钢在不同的温度、压力、时间和采用不同过渡层材料扩散焊后，分别采用成分、组织和性能分析手段，把焊接界面区特征作为主要研究对象，探讨工艺方法和工艺参数对连接质量的影响。本文采用的主要分析方法是用拉伸试验考核接头结合强度；用扫描电镜(SEM)观察拉伸断口的形貌；抛光后样品，用显微力学探针测试扩散区的硬度和弹性模量，用俄歇谱仪(AES)分析扩散区的成分，用X射线衍射(XRD)分析扩散区的的中间相；蚀刻后的样品用金相显微镜和扫描电镜分析焊接区的组织。在本文所研究的750～1050℃温度范围内，Be与HR-1不锈钢的扩散都存在快速扩散通道；铍与HR-1不锈钢扩散焊时，原子首先在晶界聚集，生成中间相，再沿晶界或者中间相扩散，最后是中间相种类的增加与长大。800～950℃温度间扩散焊的Be/HR-1焊接区存在大量的脆性中间相；750℃和1050℃温度下形成的中间相的种类和量相对较少，焊接区的性能也比较好。铍与HR-1不锈钢的扩散焊和其他大多数材料的扩散焊不一样，它并不体现在一定的温度范围内，温度愈高，材料塑性愈好，扩散过程愈快，焊接强度也愈高的特点；也不体现在一定的温度范围内，时间愈长，焊接强度也愈高的特点；而表现为与温度、时间、压力等许多因素相关。从铍向HR-1不锈钢过渡，生成的中间相有Be11Fe、Be5Fe、Be2Fe、Be12Cr、Be12Ni5、Be12Mo等，这些中间相在扩散区的中心含量最高，离开一定距离后逐渐减少直到消失。铰/HR一1不锈钢扩散焊和钎焊及其界面特性研究BeO在扩散区的中心含量很高，这是因为Be中不仅本身含有Beo，而且在扩散焊原始界面还存在一定的BeO。在超高真空下的研究表明，被及其与HR一1不锈钢扩散焊形成的含被焊缝对残余气氛有很强的吸附能力，并伴随着明显的氧化。焊接区中的这些中间相脆性很大，研磨后留下了不连续的空洞和微裂纹，导致结合强度下降。相间体积变化还会产生内应力，导致弹性模量跃变，造成应力集中、应力腐蚀和开裂。降低被与HR一1不锈钢焊接质量的主要因素是铁和不锈钢合金元素在被晶界和结合界面上的偏聚而形成脆性中间相。控制扩散焊温度、压力和时间可降低元素偏聚，减少脆性中间相的形成，提高连接强度。而加入金属薄层作过渡层则是提高扩散焊质量的最有效途径。本文选择与被、HR一1不锈钢相容性好的Ag、Al、cu、c侧Ni、Ag/AI等材料，采用磁控溅射离子镀膜方法在被和HR~1不锈钢表面镀膜，既保证了待连接表面的清洁，消除了因铰表面氧化带来的不利影响，又起到了降低焊接应力的作用。结果表明，在Ag、Al、Cu、C侧Ni、Ag/AI等材料中，Ag是Be与HR一1不锈钢扩散焊很好的单一过渡材料，C侧Ni是很好的双层过渡材料，采用这两种中间层的焊接后的抗拉强度分别达到64Mpa和49Mpa;cu，Al及AFAg可以作为被与HR~1不锈钢扩散焊的中间层材料。热等静压扩散焊和热压扩散焊相比，在连接Be与HR一l不锈钢时，热等静压更适宜于复杂结构的连接;在较高的温度和压力压力条件下时，热等静压扩散焊时焊接基材仍然只是产生表面屈服，而热压扩散焊时焊接基材会产生整体塑性变形，从而可以导致扩散显著加快和工件尺寸改变，这是它们的主要区别。本文选择AlsilZ和Ag一28%cu合金作钎料，采用时间很短的感应钎焊和延长时间的炉中钎焊，研究钎料与Be及HR一1不锈钢表面的浸润和液固扩散。结果表明，AISilZ合金和Ag--28%Cu合金钎料与HR一1不锈钢及被表面浸润良好;采用AlsilZ感应钎焊组织为初生a铝相与AISi共晶体，在焊趾部存在少量气孔，影响连接强度。采用Ag一28%Cu炉中钎焊，由于保温时间长，连接区由6和YZ两个中间相区和一个AgCu共晶区组成，被已进入焊缝中，共晶相区中有含被先期析出相形成，但Ag一28%Cu钎料仍有效地阻挡了被与H卜1不锈钢的相互扩散，避开了被与H

全文目录

摘要  2-5
Abstract  5-8
目录  8-12
第一章绪论  12-36
  1.1 铍的特性  12-13
  1.2 扩散理论  13-20
    1.2.1 扩散机理  13-14
    1.2.2 短路扩散  14-15
    1.2.3 扩散方程及其解  15-18
      1.2.3.1 稳态扩散方程及其解  15
      1.2.3.2 扩散系数为常数时半无限长扩散方程的解  15-18
    1.2.4 扩散系数  18-20
      1.2.4.1 温度对扩散系数的影响  18-19
      1.2.4.2 压力对扩散系数的影响  19
      1.2.4.3 其他因素对扩散系数的影响  19-20
      1.2.3.4 扩散系数的估算  20
  1.3 扩散焊  20-31
    1.3.1 扩散焊过程及计算机模拟  21-22
    1.3.2 扩散焊方法  22-23
    1.3.3 影响扩散焊接头质量的主要因素  23-24
    1.3.4 中间层材料  24-25
    1.3.5 扩散焊的应用  25-31
      1.3.5.1 扩散焊在核工业中的应用  25-30
      1.3.5.2 扩散焊在航空航天工业中的应用  30-31
      1.3.5.3 扩散焊技术在其他方面的应用  31
  1.4 铍的钎焊技术  31-33
  1.5 本文的主要研究内容、方法及关键技术  33-36
第二章铍/HR-1不锈钢扩散焊及其界面特性研究  36-83
  2.1 前言  36-37
  2.2 实验  37-40
    2.2.1 材料  37
    2.2.2 铍/HR-1不锈钢扩散焊工艺的制定  37-39
      2.2.2.1 真空热压扩散焊方法  39
      2.2.2.2 热等静压扩散焊方法  39
    2.2.3 结合区分析方法及仪器  39-40
  2.3 结果及讨论  40-81
    2.3.1 压力对铍/HR-1不锈钢扩散焊连接界面的影响  41-46
      2.3.1.1 扩散焊界面区组织和断口形貌  41-45
      2.3.1.2 扩散焊区成分  45
      2.3.1.3 讨论-压力对扩散的影响  45-46
      2.3.1.4 小结  46
    2.3.2 中间相的形成及长大  46-60
      2.3.2.1 物相分析  46-55
      2.3.2.2 中间相的种类及分布  55-57
      2.3.2.3 中间相形成及长大规律  57-59
      2.3.2.5 小结  59-60
    2.3.3 温度对铍/HR-1不锈钢扩散焊接头的影响  60-66
      2.3.3.1 扩散焊界面区组织  60-61
      2.3.3.2 扩散焊断口形貌  61-64
      2.3.3.3 扩散焊区成分及性能  64-65
      2.3.3.4 讨论  65-66
    2.3.4 过渡材料对铍/HR-1不锈钢扩散焊的影响  66-77
      2.3.4.1 Be/Ag/HR-1  68-69
      2.3.4.2 Be/Al/HR-1  69-71
      2.3.4.3 Be/Cu/HR-1  71-74
      2.3.4.4 Be/Cu/Ni/HR-1不锈钢  74-76
      2.3.4.5 Be/Al/Ag/HR-1不锈钢  76
      2.3.4.6 小结  76-77
    2.3.5 铍及铍/HR-1不锈钢焊缝表面吸附  77-81
      2.3.5.1 研究方法  77
      2.3.5.2 结果  77-81
      2.3.5.3 小结  81
  2.4 本章结论  81-83
第三章铍/HR-1不锈钢扩散焊区成分分布模拟  83-97
  3.1 有限元基础理论  83-86
  3.2 扩散焊数学模型  86-90
    3.2.1 一维无限长物体的扩散模型  86-87
    3.2.2 扩散系数的实验测定  87-90
  3.3 计算机模拟的实现  90-92
  3.4 讨论  92-96
    3.4.1 时间对扩散的影响  92-93
    3.4.2 模拟结果与实验数据的比较  93-96
  3.5 结论  96-97
第四章铍/HR-1不锈钢钎焊及其界面特征研究  97-111
  4.1 前言  97-98
  4.2 实验  98-99
    4.2.1 焊接区结构及材料  98
    4.2.2 钎焊  98-99
    4.2.3 组织分析  99
    4.2.4 微区成份分析  99
    4.2.5 显微硬度测试  99
  4.3 结果与讨论  99-109
    4.3.1 焊缝组织  99-104
      4.3.1.1 AlSi_(12)感应钎焊焊缝组织  99-103
      4.3.1.2 炉中钎焊焊缝的组织  103-104
    4.3.2 微区成份  104-108
      4.3.2.1 AlSi_(12)感应钎焊焊区成份  104-106
      4.3.2.2 Be/AgCu/HR-1钎焊焊区成份  106-108
    4.3.3 焊区显微硬度  108-109
  4.4 讨论  109-110
    4.4.1 AlSi_(12)感应钎焊焊缝缺陷的形成  109
    4.4.2 Be/AgCu/HR-1钎焊组织的形成  109-110
  4.5 结论  110-111
第五章铍的机加损伤及消除方法研究  111-124
  5.1 前言  111
  5.2 实验  111-114
    5.2.1 试样加工  112
    5.2.2 机加损伤分析方法  112-113
    5.2.3 机加损伤消除方法  113-114
  5.3 结果及讨论  114-123
    5.3.1 铍表层的机加损伤组织  114-115
    5.3.2 车加工和铣加工后的残余应力  115-117
    5.3.3 机加工艺对机加残余应力的影响  117-118
    5.3.4 化学蚀刻后的应力测试结果  118-120
    5.3.5 沿层深应力的多波长法测试和化学蚀刻法测试比较  120-122
    5.3.6 表面机加损伤消除  122-123
  5.4 结论  123-124
总结  124-127
致谢  127-128
参考文献  128-134
公开发表的论文  134

铍/HR-1不锈钢扩散焊和钎焊及其界面特性研究

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