局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接工艺与机理研究

Thermal self-compressing diffusion bonding is a new solid-state bonding method pioneered by the proposer. With electron beam as the non-melted heat source, previous experimental study performed on titanium alloys has proved the feasibility of thermal self-compressing diffusion bonding. Sound solid-state joints with uniform microstructure and excellent mechanical properties were attained. Considering the disadvantages of electron beam heating such as relatively larger temperature gradient and limited scanning heat region, localized induction heating is employed in this proposal. Experimental study is adopted to investigate the feasibility of induction heating thermal self-compressing diffusion bonding, the microstructure and mechanical properties of joints, atom diffusion and establish the correlation between bond quality and process parameters. Numerical analysis is used to study the thermal stress-strain process during bonding. Based on experimental study and numerical analysis, bonding mechanism and characteristics of induction heating thermal self-compressing diffusion bonding are revealed by theoretical analysis.

刚性拘束热自压扩散连接是项目申请人提出的一种新的固相连接方法，并借助于电子束热源非熔化加热实现了钛合金的刚性拘束热自压扩散连接，获得了组织均匀和力学性能优异的固相连接接头。针对电子束热源刚性拘束热自压扩散连接时仅能单面加热、扫描加热宽度有限及曲面接头均匀加热困难等方面不足，本项目拟采用局部感应加热的方法开展刚性拘束热自压扩散连接的相关研究。项目研究中通过实验研究探索感应加热刚性拘束热自压扩散连接的可行方案，识别连接过程中热源特性和待连接材料结构刚度相关工艺参数，建立工艺参数与连接质量的相关性，并对接头显微组织特征和演变、力学性能及原子扩散行为进行分析；通过数值模拟，识别界面区域温度-应力-应变场的峰值温度、温度梯度、高温区体积、高温停留时间、内拘束度等特征参量，对连接过程中的热应力应变演变进行分析；实验和数值模拟的基础上，通过理论分析，揭示局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接的机理和特点。

基于感应加热电源设备，通过刚性拘束工装、感应线圈和温控方法设计，搭建了局部感应加热刚性拘束扩散连接试验平台。利用建立的试验平台，开展了不同加热工艺参数焊接实验和焊后热处理工艺实验，确定了工艺参数对连接接头焊合质量、接头显微组织和力学性能的影响规律，加热温度950℃和保温时间7.5min的局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接接头经650℃/3h焊后热处理，接头显微组织均匀、综合力学性能与母材相当。通过TA0/TC4异种材料钛合金连接界面元素分布分析，发现局部感应加热焊接界面存在显著的原子扩散。在实验研究的基础之上，利用Ansys软件，建立了有限元模型，实现了局部感应加热过程电磁分析、温度场分析和应力应变分析，连接过程中在非熔化局部感应热源加热下，界面处局部受热，存在明显的温度梯度，界面处高温金属膨胀受到周围冷金属和刚性拘束的约束，界面中心点横向应力和纵向应力均为压应力，非熔化加热产生的内拘束应力应变场对界面进行的热挤压作用使得界面两侧原子扩散的压力条件的以满足；界面附近的非熔化加热使界面温度升高，使得界面两侧原子扩散的温度条件得以达到，从而促使界面处发生原子扩散连接。根据局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接试验和热应力应变有限元分析结果，采用扩散连接空洞闭合Hill模型实现了局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接空洞闭合过程数值计算，揭示了局部感应加热扩散连接空洞闭合特点，与传统扩散连接相比，局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接，因连接过程中热挤压效应显著，连接界面空洞闭合时的塑性变形机制、界面源机制、表面源机制和蠕变机制作用显著增加。因此，局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接时间相较传统扩散连接扩散时间显著缩短。通过不同工艺参数对局部感应加热扩散连接实验研究和有限元分析结果，确定了工艺参数对局部感应加热扩散连接的影响规律，建立了局部感应加热扩散连接加热温度和保温时间工艺窗口，为进一步工程应用奠定基础。