辅助电脉冲低温扩散焊连接Ti(C,N)金属陶瓷与40Cr的机理研究

基于陶瓷与金属材料连接易产生高梯度残余应力的现状，提出将电脉冲技术引入扩散焊过程。借助电脉冲在基体与中间层初始接触面产生的瞬间电阻热，迅速在连接界面微区建立液相层，确保Ti(C,N)金属陶瓷与40Cr钢在较低温度下实现扩散连接。与常规扩散焊相比，具有焊接温度低、接头变形小、扩散时间短、残余应力低等特点。依据Fikc第二定律，采用Boltzmann-Matano方法建立在辅助电脉冲条件下扩散系数与元素浓度的关系方程，构建焊接接头元素扩散数学模型；根据界面反应热力学和动力学的相关理论，系统研究界面反应产物的形成和长大行为，揭示界面反应特征和规律，确立界面反应层生长控制因素，结合试验测试结果计算反应层生长激活能并构建界面反应动力学方程，探讨界面形成过程及连接机理；采用有限元模拟技术对残余应力场进行研究，综合分析各因素对焊接残余应力峰值和分布的影响，为实现连接过程整体优化控制奠定基础。

Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料主要以Ti(C,N)、Al2O3陶瓷颗粒为硬质相，以Ni、Mo、Co、Mo2C为粘结相，具有硬度高、红硬性与耐磨性良好等特点，在机械加工、模具制造等领域具有广泛的应用。由于Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料脆性较大，连接过程中极易引发高应力梯度，实现其可靠连接一直是材料领域关注的焦点。.本文采用Cu73Ti27非晶箔、Cu53Zr47非晶箔、含Ti、Zr的Ag-Cu基合金箔，在辅助脉冲电流加热和常规加热条件下，对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料进行了连接试验，重点研究了界面元素扩散和组织结构，揭示了在不同加热条件下界面形成和物相长大规律，等。在此基础上，以Ti/Cu、Zr/Cu二元扩散偶为对象对比研究了在不同加热方式条件下，元素扩散、界面反应层的形成和长大机制；采用有限元模拟技术研究了焊接接头残余应力场分布。取得的成果如下：.(1) 揭示了辅助脉冲电流加热条件下元素扩散和界面反应机理.借助界面反应热力学和动力学的相关理论，系统对比研究了辅助脉冲电流加热和常规加热对元素扩散行为、界面反应的影响规律，揭示了界面形成过程及结合机理，分析了制约焊接接头强度的重要因素并优化了焊接工艺参数，这些成果对于丰富扩散焊研究领域相关基础理论将发挥一定作用。.(2) 建立了辅助脉冲电流液相扩散连接焊缝形成机理模型.辅助脉冲电流液相扩散连接焊接接头形成包含四个阶段，即材料初始表面物理接触阶段、非晶箔熔化阶段、基体材料溶解阶段、焊缝冷却凝固阶段。脉冲电流的界面高温效应在第一、二阶段发挥重要作用，有利于在较低温度下实现良好的冶金结合。.(3) 明晰了辅助脉冲电流液相扩散连接接头高强度的本质.针对脆性材料连接易产生高梯度残余应力的现状，提出辅助脉冲电流预先熔化中间层之后，实现Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料低温扩散连接。焊接件整体加热温度较低，可以有效降低焊接残余应力峰值；待连接面放电现象具有“自清洁”功效；辅助脉冲电磁场改变了Zr元素、Ti元素、Cu元素的扩散行为，控制了界面反应进程，减小了扩散过渡区尺寸，减缓了基体的溶解速率。.(4) 阐明了辅助脉冲电流液相扩散连接工艺参数之间的作用机制.脉冲占空比、连接温度、保温时间是辅助脉冲电流液相扩散连接的主要工艺参数，脉冲占空比过大，元素扩散以及界面反应过于激烈，焊接过程