材料連接新技術1

——先進難焊材料的連接材料連接新技術材料學院焊接教研室主要內容先進材料發(fā)展概述先進材料連接技術的發(fā)展概述塑料的連接技術高溫合金連接技術陶瓷材料連接技術復合材料連接技術功能材料連接技術電子束、激光以及攪拌摩擦焊接技術發(fā)展現狀水下焊接技術發(fā)展現狀太空焊接技術發(fā)展現狀教學目的了解新型(先進)材料的研究與發(fā)展概況，掌握其成分、組織、性能等特點，重點掌握各類新型材料的冶金連接性能及連接工藝特點。了解各種材料連接的新興技術的現狀及發(fā)展趨勢，掌握其基本理論及技術方面的有關知識，分析和解決先進材料在連接過程中出現的各種焊接問題，能夠結合具體材料選擇合適的連接方法。第一章：先進材料發(fā)展概述先進材料的分類和特點先進材料的應用及發(fā)展先進材料的分類及特點基本概念材料：人類可接受、能經濟地制造有用器件（或物品）的物質。先進材料：

具有比傳統鋼鐵材料和有色金屬材料更加優(yōu)異的性能，能夠滿足高新技術發(fā)展需要的一類工程材料，如高技術陶瓷、金屬間化合物、復合材料等。特指那些新近開發(fā)或正在開發(fā)的具有優(yōu)異性能和特殊用途的材料。先進材料的分類按照材料屬性劃分為四類：先進金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、先進復合材料。按材料的使用性能分為兩類：結構材料和功能材料。結構材料是利用材料的力學和理化性能，以滿足高強度、高剛度、高硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能要求的材料；功能材料是利用材料具有的電、磁、聲、光、熱等效應，以實現某種功能的材料，如超導材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、隱身材料和核材料等。工程中經常涉及的先進材料主要包括四類：先進陶瓷、金屬間化合物、高溫合金、復合材料。這些材料的一個共同特點是強度和硬度高，塑性和韌性差，焊接中極易產生裂紋，采用常規(guī)的焊接方法很難對這類材料進行焊接。然而，先進材料的發(fā)展及應用與高新技術的開發(fā)發(fā)展密切相關，是高新技術發(fā)展必要的物質基礎。因此，如何實現工程中先進難焊材料的連接就變得至關重要。主要特點：與高技術密切相關先進材料的特點從先進材料的合成和制造看，往往是利用了一些通過高技術獲得的極端條件作為必要手段。(例如：超高壓、超高真空、極低溫、超高速冷卻以及超高純度等)先進材料的研究與發(fā)展與計算機技術和先進的自動控制技術的發(fā)展和應用密切相關。先進材料的質量要求往往是非?？量痰?例如超微量的雜質以及原子級的缺陷等)先進材料本身就是高技術的一部分，屬于技術密集程度高和保密性強的產業(yè)。1.先進陶瓷材料陶瓷材料是指以各種金屬的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物為原料，經適當配料、成型和高溫燒結等人工合成的無機非金屬材料。先進陶瓷材料又稱高性能陶瓷、新型陶瓷或高技術陶瓷，是以精制的高純、超細人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制的制備工藝獲得具有優(yōu)異性能的新一代陶瓷。先進材料的應用及發(fā)展先進陶瓷材料的特點：現代的陶瓷材料冠以“先進”(也可稱作“精細”、“高技術”等),是為了與傳統的陶瓷材料相區(qū)別。(1)原材料的不同。傳統陶瓷以天然礦物,如粘土、石英和長石等不加處理直接使用;而現代陶瓷則使用經人工合成的高質量的粉體作起始材料。(2)結構的不同。傳統陶瓷中由于雜質成份和雜質相眾多而不易控制,顯微結構粗劣而不夠均勻,多氣孔;先進陶瓷則化學和相組成較簡單明晰,純度高,后者的顯微結構均勻而細密。(3)制備工藝的不同。傳統陶瓷用的礦物經混合可直接用于濕法成型,如泥料的塑性成型和漿料的注漿成型,材料的燒結溫度一般為900℃到1400℃;而先進陶瓷用高純度粉體一般添加有機的添加劑才能適合于干法或濕法成型,材料的燒結溫度較高,根據材料不同從1200℃到2200℃,燒成后一般尚需加工。(4)性能不同。傳統陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；而先進陶瓷,基于其優(yōu)異的力學性能特別是高溫力學性質和各種光、熱、電、聲、磁的功能。先進陶瓷的發(fā)展趨勢：1）由單相、高純材料向多相復合陶瓷方向發(fā)展；2）從微米級尺度向納米級方向發(fā)展，及向介于原子或分子與常規(guī)的微米機構之間的過渡性接過去發(fā)展；3）陶瓷材料的加工技術發(fā)展。如形狀設計和連接等。氮化硅陶瓷刀具α-Al2O3與κ-Al2O3交替涂層的刀具2.金屬間化合物金屬間化合物是指金屬與金屬之間，類金屬和金屬原子之間以共價鍵形式結合生成的化合物，其原子排列具有高度有序化的規(guī)律。當它以微小顆粒形式存在于合金的組織中時，將會使合金的整體強度得到提高，特別是在一定溫度范圍內合金的強度隨溫度升高而增強。金屬間化合物分類：承力結構類和功能金屬間化合物。前者具有良好的室溫和高溫力學性能（Ni3Al、FeAl、TiAl等）；后者具有特殊物理和化學性能（YCo5、NiTi、Nb3Sn等）。3.高溫合金高溫合金是指在600-1200℃高溫下能承受一定應力并具有耐氧化或耐腐蝕能力的合金，可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。復合材料：以一種材料為基體，另一種材料為增強體組合而成的材料，各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。4.先進復合材料6000年前人類就已經會用稻草加粘土作為建筑復合材料。水泥復合材料已方法應用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。燕子窩：泥土-草復合材料高性能工程塑料主要是根據航空航天等高新技術領域的需求發(fā)展起來的一類綜合性能優(yōu)異的耐熱熱塑性工程塑料。5.高性能工程塑料(特種工程塑料)

特種工程塑料(美Highperformanceplsatics;日SuperEngineeringplastics)的特點：具有優(yōu)異的耐熱性，熱變形溫度在200℃以上，長期使用溫度在150℃以上，且具有一定機械強度的聚合物。6.鈦及鈦合金用途產品要求噴氣發(fā)動機高溫抗拉強度，蠕變強度，高溫溫度定性、疲勞強度、斷裂韌度航空構架高抗拉強度，疲勞強度，斷裂韌度，可加工性能工業(yè)應用耐蝕性，適當強度，有競爭力的制造成本鈦合金作為一種高強、耐蝕、耐熱的新型材料，廣泛應用航空領域，已成為與鋁合金和高強鋼并駕齊驅的四大飛機結構材料之一，其應用水平已成為衡量飛機先進性的重要標志。因此鈦合金的焊接技術也被認為第四代戰(zhàn)機制造的標志性技術。7.超導材料超導材料是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零以及排斥磁力線的性質的材料?，F已發(fā)現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。石墨烯超導材料高溫超導材料B787材料分布作業(yè)：第二章：先進材料連接技術概述材料連接的分類與特點現代焊接技術的發(fā)展歷程先進的材料連接技術材料連接的原理、分類與特點材料連接是通過適當的手段，使兩個或兩個以上分離的固態(tài)物體產生形成一個整體，從而實現物理量的傳導。主要連接方法機械連接焊接膠接鉚接釬接微連接技術連接技術概述連接技術分為焊接與機械連接（如螺紋連接、鉚接等）強度高，密封性好，接頭重量輕，加工簡單，節(jié)約材料。先進連接技術的特征：接頭的質量要好生產效率高節(jié)約材料與能源操作便捷焊接在實際應用：先進材料連接技術的分類連接需要外加熱能，根據熱源功率密度的不同，熔化連接熱源的功率密度可以分為如下四個區(qū)域：1）低功率密度區(qū)，功率密度小于3×102W/cm2，熱傳導散失大量的熱。2）中功率密度區(qū)，功率密度范圍為3×102-105W/cm2，材料熔化，不存在材料蒸發(fā)散熱不嚴重，絕大部分常規(guī)焊接方法功率密度都在這個范圍。3）高功率密度區(qū)，功率密度范圍為105-109W/cm2，存在材料蒸發(fā)，強烈的蒸發(fā)會在熔池中產生小孔。4）超高功率密度區(qū)，功率密度范圍為大于109W/cm2，高功率脈沖激光聚焦成很小的束斑時出現這種情況。主要材料連接方法具體分類：焊接的發(fā)展歷程焊接是一門新興的同時又是一門古老的技術。從歷史上說，它在3000年以前就有記載，但真正成為一門重要的制造技術，是最近百年的事。焊接發(fā)展歷程大致分成三個階段：第一次工業(yè)革命前，以炭火加熱的鍛焊、釬焊等為代表；第一次工業(yè)革命到二次世界大戰(zhàn)前，以手工電弧焊和電阻焊等為代表；二次世界大戰(zhàn)后，以氣電焊、激光焊等為代表。鍛焊：在古代鍛焊曾是金屬連接的唯一方式。電阻焊：1856年，James

Joule首次成功用電阻加熱法對一捆銅絲進行了熔化焊接。1886年，Elihu

Thomson制造了首臺焊接變壓器，隨后又發(fā)明了點焊機、縫焊機、凸焊機以及閃光對焊機。

1964年，Unimation生產的首批用于電阻點焊的機器人在通用汽車公司使用。目前仍廣泛應用于汽車工業(yè)和對其它許多金屬片的焊接上。電弧焊：

1810年，Humphrey

Davy在電路的兩極造了一個穩(wěn)定的電弧——電弧焊的基礎。1881年，Nikolai

Benardos在碳極和工件間產生了電弧，金屬棒或金屬絲可以送進這個電弧并熔化。1890年，Benardos進一步完善了這一焊接法，用金屬棒代替碳棒作為電極，焊接過程中電極熔化，充當熱源和填充金屬。1907年，Oscar

Kjellberg發(fā)明了涂層焊條，使焊縫質量顯著改善，電焊技術得到突破。19世紀末以前沒有出現電焊的原因之一就是缺乏合適的電源。焊接技術的發(fā)展歷史1908電渣焊ESW；俄羅斯美國烏克蘭

1909等離子焊接

PAW；德國美國1920鎢極惰性氣體保護電弧焊

TIG，GMAW；

美國1930

螺柱焊；美國1930熔化極惰性氣體保護電弧焊

MIG；美國

1930

埋弧焊

SAW；

美國1953活性氣體保護電弧焊

MAG，GMAW；俄羅斯1970激光焊接

LBW；英國1991攪拌摩擦焊

FSW英國…

先進材料連接技術1.電子束焊接電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產生的熱能進行焊接的方法。電子槍中陰極經電流加熱后，在陰陽極間幾十至上百千伏的加速電壓作用下發(fā)射出電子流，該電子流在偏壓柵極的控制和聚束作用下形成一束電子從陽極孔中穿過，經過電子槍隔離閥后在聚焦磁透鏡的作用下以極高的能量密度和光速70%的速度注入焊接工件、強大的電子動能迅速轉化為熱能將焊接工件局部熔化而達到焊接的目的。功率密度大，熱量集中；穿透能力強，焊縫深寬比大；焊接速度快，焊縫組織性能好；焊縫純度高；焊接參數調節(jié)范圍大，適應性強；可焊材料廣。

電子束焊接的特點：電子束焊接的應用目前應用場合：除含鋅高的材料（如黃銅）和未脫氧處理的普通低碳鋼外絕大多數金屬及合金都可用奠基石焊接；焊接熔點、熱導率、溶解度相差很大的異種金屬；可焊接不開坡口焊接厚度大工件，焊接變形??；可焊真空中使用的高要求器件；散焦電子束可用于焊前預熱或焊后緩冷，作為釬焊熱源。未來應用前景：復雜零件的大批量生產；應用與航天領域先進材料的焊接；能源、核工業(yè)、重型機械制造中厚大件焊接；多功能電子束焊的焊接設備和集成工藝以及電子束焊機的柔性化得到發(fā)展；宇航技術中的各類火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站等結構件、發(fā)動機焊接。2.激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。不同激光功率激光焊接物理過程光束參數積與激光功率決定加工范圍激光焊的特點：高功率密度；光束衰減小，可進行遠距離或難接近部位焊接；一臺激光器可以進行不同工作，焊接、切割、熔覆、熱處理；可以穿透透明物體，可以在玻璃制成的透明封閉的容器內進行焊接；激光不受磁場影響，不需要真空保護；可焊接難焊材料，如高熔點金屬、陶瓷、有機玻璃等。激光焊的應用：航空、電子儀表、機械器件、鋼鐵冶金材料、汽車行業(yè)、醫(yī)療器械、食品等行業(yè)。激光加工技術在汽車中的應用：擴散連接擴散連接是將焊件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散形成聯接的焊接方法。固態(tài)擴散連接擴散連接加中間層的擴散連接不加中間層的擴散連接真空擴散連接氣體保護擴散連接溶劑保護擴散連接燒結－擴散連接瞬時液相擴散連接超塑性成形－擴散連接擴散連接的分類：擴散焊的工藝優(yōu)勢：進行內部及多點、大斷面構件連接；不存在有過熱組織的熱影響區(qū)；高精度連接；難焊金屬連接，如耐熱合金、陶瓷、金屬間化合物和符合材料連接。擴散焊的三個階段：水下焊接技術水下焊接主要用于海洋平臺水下部分、海底管道等的修復。因為水的存在，需要形式，直接影響焊接方法和設備的選擇，作為典型的嚴酷環(huán)境焊接作業(yè)，自動化是水下焊接技術采用特殊的焊接方法、材料和設備才有可能獲得合格的焊縫，而且不同水深、不同結構物的重要發(fā)展趨勢。水下焊接的分類：干法水下焊接技術、濕發(fā)水下焊接技術、局部干法水下焊接技術、螺柱焊接、爆炸焊電子束焊接、激光焊接?？梢姸炔?，水對光的作用強，在水中傳播時減弱得很快。焊縫含氫量高，很容易引起裂紋，甚至導致結構的破壞。冷卻速度快，海水的熱傳導系數高，是空氣的20倍左右。水對焊縫的急冷效果明顯，容易產生高硬度淬硬組織。隨著壓力增加，電弧弧柱變細，焊道寬度變窄，焊縫高度增加，同時導電介質密度增加，從而增加了電離難度，電弧電壓之升高，電弧穩(wěn)定性降低，飛濺和煙塵增多。連續(xù)作業(yè)難以實現，由于受水下環(huán)境的影響和限制。水下焊接的特點：太空焊接技術21世紀將是人類向太空發(fā)展具有規(guī)模的時代?？臻g工作站、航天器以及擬建的太空工廠都同樣需要相應的連接和焊接技術。太空焊接技術有其自身的特點，與地球大氣中的焊接將顯然不相同，早已引起人們的關注。烏克蘭太空焊接設備太空焊接的特點及對焊接的影響：零或微重力、高真空、存在界線分明的“亮-暗”區(qū)域、腐蝕速度增大、氧化過程加速等。太空焊接的分類：電子束焊、釬焊、爆炸焊、摩擦焊、超聲波焊、擴散焊、激光焊、熱搿焊、電容儲能焊。第三章：塑料的連接技術塑料概述塑料焊接的原理及影響因素塑料焊接方法第一節(jié)：塑料的概述塑料是一種以高分子合成樹脂為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑、著色劑等添加劑為輔料成分的材料。它在一定的溫度和壓力下，塑制成不同形狀的型材或制品，外力解除后在常溫下仍能保持不變的形狀。增塑劑：可增加塑料的可塑性和柔軟性，降低脆性，使塑料易于加工成型。例如生產聚氯乙烯塑料時，若加入較多的增塑劑便可得到軟質聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑劑(用量<10%)，則得硬質聚氯乙烯塑料。填充劑：可以提高塑料的強度和耐熱性能，并降低成本。例如酚醛樹脂中加入木粉后可大大降低成本，使酚醛塑料成為最廉價的塑料之一，同時還能顯著提高機械強度。潤滑劑：防止塑料在成型時粘在金屬模具上，同時可使塑料的表面光滑美觀。常用的潤滑劑有硬脂酸及其鈣鎂鹽等。著色劑：可使塑料具有各種鮮艷、美觀的顏色。常用有機染料和無機顏料作為著色劑。

在塑料加工術語中，由塑料母料轉變?yōu)樗芰闲筒幕蛑破返墓に嚪Q為一次加工工藝，或成型工藝；對塑料型材或構件等的進一步加工稱為二次加工工藝。塑料焊接屬于塑料的二次加工工藝。塑料的特點塑料質輕、化學穩(wěn)定性好、不會銹蝕；耐沖擊性好；具有較好的透明性和耐磨耗性；絕緣性好、導熱性低；一般成型性、著色性好，加工成本低；耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；尺寸穩(wěn)定性差，容易變形；耐低溫性差，低溫下變脆；容易老化。塑料的分類按理化特性分：熱固性塑料和熱塑性塑料通用塑料按使用特性分：工程塑料特種塑料通用塑料：產量大、用途廣、成型性好、價格便宜的塑料。例如：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC等。工程塑料：能承受一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，可以用作工程結構的塑料。例如：聚酰胺PA等。特種塑料：具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應用領域的塑料。例如：氟塑料和有機硅具有突出的耐高溫、自潤滑等特殊功用；增強塑料和泡沫塑料具有高強度、高緩沖性能等特殊性能，都屬于特種塑料的范疇。熱固性塑料：在成形過程中產生不可逆的化學反應，分子結構從加工前的線形結構轉變?yōu)榫W狀體型結構，這種結構一旦形成就不溶解、不熔化、也不再能粘滯的流動。在過高的溫度下，熱固性塑料會碳化。線型(加工前)少量交鏈(加工中)交聯型(成型后)熱固性塑料一次加工成形后的不熔性質，使熱固性塑料無焊接性而言。熱固性塑料主要用于隔熱、耐磨、絕緣、耐高壓電等惡劣環(huán)境中使用的塑料，最常用的是炒鍋鍋把手和高低壓電器。制造隔音、隔熱材料等耐火材料、摩擦材料熱固性塑料的應用沿海城市潮濕，鹽分過多的氣候，不生銹、不腐蝕、不風化、使用年限久。

儲存腐蝕性介質，耐多種酸、堿、鹽和有機溶劑。電絕緣性能優(yōu)異耐高溫熱塑性塑料：分子鏈都是線型或帶支鏈結構，分子鏈之間無化學鍵產生，可以在一定的溫度作用下軟化直至塑料流，冷卻又重新硬化。在這個可反復多次的可逆變形過程中，大分子的化學性質不變，當溫度大于極限溫度后，熱塑性塑料會化學分解。日常生活中使用的大部分塑料屬于這個范疇，塑料的焊接僅指熱塑性塑料。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。常用熱塑性塑料描述熱塑性塑料使用性質和工藝性質的溫度參數玻璃化溫度Tg：指高聚物由高彈態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度。粘態(tài)流動溫度Tf：聚合物繼續(xù)受熱，溫度升高到一定后(即T>Tf)，這時高聚物在外力作用下發(fā)生粘性流動。熔化溫度Tm：熱分解溫度Td：玻璃態(tài)：機械加工高彈態(tài)：橡膠粘流態(tài)：可擠壓性、可模塑性熱塑性塑料工藝加工的溫度范圍：Td-Tm(Tf)塑料的焊接就是在這個溫度區(qū)間進行的：①Tm或Tf的數值越高，塑料焊接的溫度就越高，設備成本因此也越高；②Tm或Tf與Td之間的區(qū)域越窄，塑料焊接的操作越困難。塑料焊接的基本原理是熱熔狀態(tài)的塑料大分子在焊接壓力的作用下相互擴散，產生范德華作用力，從而緊密的焊接在一起。第二節(jié)：塑料焊接原理及影響因素塑料焊接的原理溫度：導致塑料熔融流動的焊接溫度壓力：對焊接表面施加適當的壓力，焊接材料將由彈性向塑性過渡，并可以促進大分子相互擴散，并擠去焊縫中殘余氣隙，從而增加焊接面密封性能時間：要有適當的熱熔時間和足夠的冷卻時間。當熱功率一定時，時間不夠會出現虛焊，時間過長會造成焊件變形，熔渣溢出，有時還會在非焊接部位出現熱斑（變色）。必須保證焊接面吸收足夠的熱量達到充分熔融的狀態(tài)，才能保證分子間充分擴散熔合，同時必須保證足夠的冷卻時間使焊縫達到足夠的強度。塑料焊接的必要條件：不同點：（1）焊接金屬時，焊條與基體材料熔成一體。金屬有確定的熔點，而塑料在軟化溫度和燒焦或燃燒的溫度之間有很大的熔化溫度范圍。此外，與金屬不同的是，塑料的導熱性極差(可認為其不導熱)，這是塑料在焊接時很難保持熱量的均勻性。在對其加熱時，塑料表面下的塑料部分還未完全熔化時，塑料焊條和塑料表面就會燒焦或燃燒。在焊接溫度下分解的時間比在熔焊中使許多塑料軟化所需的時間短，所以塑料焊機的工作溫度范圍要比金屬焊機小得多。相同點：都要熱源和焊條，接頭的類型大致相同，焊接方法相同，強度的評定方法相似。塑料焊接與金屬焊接的異同點（2）由于塑料焊條不會完全熔化，所以在焊接前后看了沒有變樣。從事焊接金屬的技工往往會認為這樣的塑料焊接是不完全的。理由是，因為只有焊條的外表面熔化，其內芯仍然是硬的。焊工可向焊條施加壓力，使它進入焊區(qū)并形成永久結合。（3）焊接塑料時，材料在熱量和壓力的適當結合下熔融在一起。采用常用的手工焊接方法時，這種結合是靠用一只手向焊條施加壓力，而同時用焊炬的熱氣把焊條和基體材料加熱并保持扇形動作而實現。成功的焊接在于保持壓力和熱量恒定和適當均衡。對焊條施加過大壓力會使焊縫擴大，而熱量過多會使塑料燒焦。塑料焊接的影響因素(1)塑料的焊接工藝首先應該根據母材的焊接性能制訂。除了母材因素外，塑料的一次加工過程也是影響焊接性能的重要因素之一。通常，由于一次成型加工，塑料內的組織結構、分子取向狀態(tài)、結晶度以及內應力等均已發(fā)生變化，這些變化往往影響塑料的焊接性能或者焊接強度。(2)焊件預處理狀態(tài)焊件表面清潔——脫脂去污(注意選用的脫脂清潔劑不能溶解被焊接材料，也不應使之膨脹)。焊件表面平整與平行的預加工處理例如①管道端面對接焊時，必須先用平行機動旋刀削平兩個管材的被焊端面，并保證兩個端面相互接觸時基本平行；②用于超聲波焊接的塑料注塑件，其注塑模具應保證該構件的焊接面平行接觸。(3)焊接接頭的強度既與被焊塑料的品種和材質有關，又與焊接工藝方法有關。(4)塑料的吸濕性如果焊接潮濕的塑料制品，內含的水分會在受熱后化為蒸氣跑出而在焊面上出現氣泡，使焊接面密封性能減弱。吸濕較為嚴重的材料有PA、ABS、PMMA等。用這些材料做的制品，焊前必須進行干燥處理。(5)塑料中的填充物如玻璃纖維、滑石粉、云母等，它們改變了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接質量有很大的關系。填充物含量低于20%的塑料可以正常進行焊接，不需要進行特殊的處理。填充物含量超過30%時，由于表面塑料比例不足，分子間融合的不夠，會降低密封性。

第三節(jié)：塑料的焊接方法熱氣體：大多數情況下即熱風，利用電加熱元件將一定壓力的空氣加熱；壓力：通過手動或機械方式1.基本概念將熱氣體通過噴嘴噴到塑料上，對塑料表面加熱，并對焊接區(qū)施加壓力，從而進行焊接的方法稱為熱氣焊。在塑料焊接的發(fā)展和應用中，熱氣焊方法歷史最長，應用廣泛。兩個要素：熱氣焊(熱空氣塑料焊接)(1)熱氣擺動焊擺動熱氣噴口，分別對被焊基體和焊條加熱，焊條在一定的手持頂緊力下熔化，進而進入焊縫。2.熱氣焊方法的分類(2)熱氣嵌入焊焊條先被引進焊槍頭部并被預熱塑化，自然熔嵌進焊縫。通過焊槍頭的設計或其他專用工具，可以根據焊縫的形式，手動施加一定的焊接壓力。(3)熱氣搭接焊用熱氣對塑料的搭接縫隙進行加熱，并用手壓或機械裝置對焊接區(qū)施加壓力，從而實現焊接。熱氣搭接焊一般不需要焊條。(4)熱氣擠塑焊以焊接填料在塑化裝置(擠出機)內充分均勻混合，塑化后擠出的棒狀熔料為焊接填料，填進已預熱至焊接溫度的焊接表面并用專用壓具壓實的塑料焊接方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。(1)空氣壓縮機，提供熱氣焊時的熱源。為了便于野外施工使用，也可采用300W吹塵機來代替笨重的空氣壓縮機。(2)空氣過濾器，也稱油水分離器或干燥過濾器。由于空氣中存在水分和灰塵會降低焊接強度，并影響焊槍的使用壽命。例如，空氣中的水分對電熱焊槍的電阻有很大的損害，成為經常修理的原因。(3)變壓器，用于改變焊槍內電熱絲的供電電壓的大小，從而調節(jié)焊槍噴嘴噴出的壓縮空氣的溫度。3.熱氣焊方法的設備(4)焊槍金屬外殼空心手柄噴嘴組成噴嘴的設計最為重要。若噴嘴直徑過小時，受熱面太窄，無法使焊條和焊接面均勻受熱；若噴嘴直徑過大，易使焊接面熔融過多，焊接時起毛，影響外觀。手焊槍快速焊槍噴嘴大；可用大直徑焊條，提高工作效率；對熱氣作了分流：一部分熱氣用來加熱基材，另一部分用來預熱焊條；由機械操縱。分類氣源：熱氣焊過程中作為焊接熱源載體的氣體必須去油、去水分。熱氣可以是空氣，或氮氣等惰性氣體。出于安全考慮，熱氣焊不得使用可燃氣體作為熱源氣體。根據被焊塑料品種不同，加熱要求不同，氣源溫度不同。塑料品種聚氯乙烯聚丙烯有機玻璃聚碳酸酯聚甲醛熱氣溫度℃210±20220±20250±10330±10230±10典型塑料品種熱氣焊的溫度范圍填充材料：常見的熱氣焊填充材料有圓形、矩形截面以及繩狀或條狀的焊條。熱塑性硬塑料的焊接多用直徑為2mm、3mm或4mm的圓截面焊條。熱塑性軟塑料多使用不小于3mm直徑的繩狀或條狀焊條。4.熱氣焊材料5.熱氣焊基本順序將焊機調節(jié)到適當溫度；用塑料清潔劑清洗零件；開破口；定位焊或用膠粘好；使用合適的焊條和噴嘴焊接，(焊條頂緊在焊道坡口的焊接表面上，然后用熱風均勻對其及母材加熱，直至熔融焊合,焊好后冷卻、硬化處理約30min)；將焊縫磨光、擦光或刮出適當的輪廓和形狀。6.影響熱氣焊接質量的因素塑料母材的焊接性與母材相適應的填充材料，一般焊條應與母材相同；焊縫的形式和焊道數，一般講，焊道數應少，每道應厚。焊接條件(溫度、速度、壓力)a.溫度：焊接溫度一般是熱氣流溫度190~220℃左右。若焊接溫度增高，焊接速度也應增快，但溫度過高會產生焦灼；溫度過低，會使焊縫與材料之間強度降低。b.速度：焊速一般為9~15米/時。焊速太快而溫度又低時，焊條和焊件沒有充分軟化，就粘接不牢，在焊縫斷面能看到一根根圓形的焊條；焊速太慢而焊接溫度過高時，會燒焦。c.壓力：焊接時，焊條和對焊條施加壓力的方向都應與被焊材料的焊縫成90°角度。7.熱氣焊的優(yōu)缺點優(yōu)點：焊接設備容易攜帶；缺點：焊接過程緩慢。利用一個或多個發(fā)熱工具對被焊塑料的表面進行加熱，直至其表面層充分熔化，然后在壓力作用下進行焊接的方法稱為發(fā)熱工具焊接，或簡稱為熱工具焊。熱工具焊是目前應用最廣泛的塑料焊接方法之一。熱工具焊通常不需要填充材料，依靠手力或機械力產生焊接壓力。1.基本概念熱工具焊區(qū)別：發(fā)熱工具與塑料表面之間不同的相互位置熱工具焊分為直接式熱工具焊和間接式熱工具焊兩種。直接式工具焊的發(fā)熱工具直接位于兩個對接焊的面與面之間，通過熱傳導和熱輻射直接對塑料表面加熱。焊接壁厚一般大于0.8mm。間接工具焊的式發(fā)熱工具安裝在被焊塑料焊接面的背面，加熱焊接面的熱能必須通過一定的距離才能傳到焊接面上。即熱能是通過一定厚度的被焊塑料后，簡接地作用于焊接面上。主要用于焊接厚度小于或等于0.8mm的塑料薄膜。準備階段加熱(預熱)周期切換周期：在加熱達到塑料的熔融焊接狀態(tài)后，必須快速撤移出位于兩個對接面之間的發(fā)熱工具。壓焊周期：焊接壓力必須保持到焊接區(qū)內的熱熔態(tài)塑料完全冷卻硬化位置，從而保證焊接接頭具有足夠的強度。2.直接式熱工具焊熱工具對接焊：發(fā)熱工具的兩個加熱面相互平行地同時對被焊塑料端面加熱，待焊接面上的塑料熱熔后，手控或機械控制切換過程和焊接壓力，將兩個表面壓焊成一體，從而實現焊接。熱工具直角焊：用發(fā)熱工具分別對兩塊被焊塑料的端面和平面加熱，手控或機械控制切換運動和焊接壓力，將它們直角焊接在一起。典型的直接式熱工具焊方法熱工具彎角焊：借助于手力或機械力將楔子形的發(fā)熱工具壓進被焊塑料的表面，使其熔化，形成缺口，然后將塑料扳向缺口缺口方向折成彎角，使呈楔子形的缺口焊接在一起。熱工具套焊接：用發(fā)熱焊接工具的內環(huán)面和外環(huán)面分別對被焊管材相應的外側面和內側面加熱，然后拔出發(fā)熱工具，把被焊管材熱壓在一起。內藏電熱絲焊接：利用在被焊套管內環(huán)面上纏繞的電熱絲對管材的套接面加熱，從而進行焊接。發(fā)熱鍥搭焊接：作為發(fā)熱工具的熱鍥位于兩個搭接面之間，通過手控或機械控制壓輪將搭接面壓焊在一起。熱工具割焊接：先將被焊塑料片材疊放在一起，然后用絲形、帶形或刀形狀的發(fā)熱工具將其切斷，斷面上的塑料與發(fā)熱工具的側表面加熱面接觸熔化，從而焊接在一起。熱脈沖焊：焊接過程中，發(fā)熱工具中的電加熱裝置僅在加熱周期里接通，而焊接壓力則在整個焊接過程中，始終作用于焊接面上。1—焊縫2—被焊材料3—熱帶夾持頭4—彈性隔熱層5—熱帶6—工作面7—隔離套3.間接式熱工具焊熱接觸焊：焊接過程中，發(fā)熱工具持續(xù)加熱，但熱能僅在加熱階段里分別通過兩塊隔離夾持板接觸傳遞給被焊工件。冷卻周期里，發(fā)熱工具脫離夾持板，由夾持板保持加緊力，保證焊接面上具有足夠的焊接壓力及一定的作用時間。8—工作面9—被焊工件10—壓頭11—隔離支撐板12—焊縫熱滾輪焊：被焊塑料被連續(xù)地引入滾輪系統，通過滾輪中的持續(xù)加熱裝置和冷卻裝置進行焊接。13—被焊材料14—滾輪15—發(fā)熱元件16—冷卻裝置17—滾輪帶18—焊縫19—工作面加熱工具：焊接溫度時實現焊接和保證良好焊接質量的重要條件，加熱工具是熱工具焊接的重要構件。溫度、時間、壓力等的控制系統：在自動化的焊接機中，熱工具焊的控制系統，包括溫度、壓力、時間等控制系統，這些控制系統用以確保實現預期工藝目標。4.熱工具焊設備母材塑料的焊接性：最適宜熱工具焊的塑料品種是聚烯烴(如聚乙烯、聚丙烯等)。異種塑料之間、或者同一品種但不同牌號的塑料之間的焊接性能必須根據試焊結果才能確定。焊接參數的確定、調整與控制以及正確的操作。被焊件厚度加熱的方式發(fā)熱工具的表面質量和清潔度(對于直接式熱工具焊而言)，發(fā)熱工具表面必須清潔、阻燃、不會與被焊塑料起反應，并能防止塑料熱熔后粘貼在發(fā)熱工具的表面。發(fā)熱工具表面通常都涂敷一層增強聚四氟乙烯膜。5.熱工具焊質量的影響因素塑料超聲波焊接是塑料的焊接面在超聲波能量的作用下作高頻機械振動而發(fā)熱熔化，同時施加焊接壓力，從而把塑料焊接在一起。超聲波振動和焊接壓力的作用方向一般垂直于被焊接面。超聲波焊接原則上適用于大多數熱塑性塑料。主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和線材等，通常不需要填充材料。1.基本概念超聲波焊音波2.超聲波焊接原理電能轉換為機械振動能振幅的放大頻率和振幅的關系超聲波熔接的工作原理：振動能量從焊頭傳遞到工件，工件之間的摩擦產生的熱量將工件熔接面熔化，從而焊接成一體。能量定向唇：減小超聲波焊接的起始接觸面積，以達到理想的起始加熱狀態(tài)；準確地控制材料熔化后的流動；防止工件自身過熱。近程超聲波焊接：超聲波振頭和塑料焊接面之間的作用距離很近，導致與振頭端面接觸的整個塑料焊接面都發(fā)生熱熔化，從而實現焊接。遠程超聲波焊接：超聲波振頭和塑料焊接面之間的作用距離較遠，超聲波能量必須經過被焊工件傳遞至焊接面，并僅能在焊接面上產生機械振動，從而發(fā)熱熔焊接。位于超聲波振頭和按揭面之間起傳能作用的工件本身，并不發(fā)熱。3.超聲波焊接分類超聲波發(fā)生器：將輸入的低頻電流轉換為輸出的高頻電流。高頻電流的頻率范圍與超聲波頻率范圍相同。一般為20~40kHz。換能器：將電能轉換成機械能。調幅器：改變振幅。焊頭(振頭)：通常是一半波長的共振金屬塊，將振動能量傳遞到工件上。底模(底座)：在焊接時需要對下面的工件進行固定及支撐。4.超聲波焊接設備(1)母材的焊接性能由超聲波的工作原理可以知道，超聲波的實際功率并不大，工作時間短，所以產生的熱量有限，所以一般只適用于一些熔點較低(400℃以下)的材料。主要以熱塑性的聚合物即塑料為主。一般來說，聚合物的熔點越高，其焊接所需的超音波能量越多。材料的硬度對其是否能有效傳輸超音速振動是很有影響的?？偟恼f來，愈硬的材料其傳導力愈強。

5.塑料超聲波焊接的影響因素(2)超聲波的熔接能量影響熔接能量的因素氣壓：通過調壓閥來調整，一般來說氣壓越大，能量越大。下降速度：一般來說，下降速度越大，能量越大。頻率：超聲波熔接機器都有固定的頻率，頻率越大，能量越大。振幅：振幅的調整可以通過調幅器和焊頭的設計來達到。焊接時間：焊接時間越長，焊接的能量越大。保壓時間：保壓時間是在塑料熔化之后的保持氣壓的時間，時間越長，形成的焊點越穩(wěn)定，變形越小。壓力：壓力過低，會延長焊接時間，使工件表面產生疤痕或質量不佳；壓力過高，會使工件破裂，使界面結合欠佳，甚至過載，而終止超聲。時間：過長的焊接時間,會產生飛邊或質量下降,特別是嚴格密封的場合下,更要注意；過長的焊接時間,會使工件偏離焊接區(qū)、表面熔化或破裂，特別是有孔部位、模合線上或頭角處。(3)焊接參數優(yōu)點：焊縫固定而美觀(發(fā)熱僅集中在焊接部分)；不受待焊表面污染的限制(超聲波高頻機械振動同時起清潔破碎表面作用)，廣泛應用于醫(yī)藥、制油、和食品工業(yè)等；容易實現自動化生產；焊接強度高，粘接牢固。缺點：設備成本比較高；焊接速度受到限制。6.超聲波焊接的特點被焊塑料至于兩電極之間，在高頻交變電場和焊接壓力的共同作用下發(fā)熱熔化，進而焊接在一起。因為只有較大的材料電介損耗系數才能把電場中的高頻交變電流轉變?yōu)樽阋赃M行焊接的熱能，所以只有那些電介質損耗系數等于或大于0.01的熱塑性塑料才適用于高頻電焊。1.基本概念四、高頻電焊集膚效應：當導體通以交流電流時，導體斷面上出現的電流分布不均勻，電流密度由導體中心向表面逐漸增加，大部分電流僅沿導體表層流動的一種物理現象。導體的電阻率越低、磁導率越大、電流的頻率越高，其集膚效應越顯著。鄰近效應：當高頻電流在兩導體中彼此反向流動或在一個往復導體中流動時，電流會集中于導體鄰近側流動的一種特殊的物理現象。電磁感應：將工件置于感應器內，當感應器中有交流電流通過時，在感應器內部和周圍產生與電路頻率相同的交變磁場，周圍變化的磁力線切割工件，因此在零件內就產生感應電勢，而在零件表面產生感應電流，這種現象加電磁感應。2.高頻電焊原理借助高頻電流的集膚效應可以使高頻電能量集中于焊件的表層，而利用鄰近效應，又可控制高頻電流流動路線的位置和范圍。當要求高頻電流集中于焊件的某一部位時，只要將導體與焊件構成電流回路并使導體靠近焊件上的這一部位，使它們相互之間構成鄰近導體，就能實現這個要求。高頻焊就是根據焊件結構的具體形式和特殊要求，主要運用集膚效應和鄰近效應，使焊件待焊處的表層金屬得以快速加熱而實現焊接。高頻焊接原理：塑料薄膜在高頻電場的作用下，極性分子按照與電極相反的方向排列，即分子中的正電荷轉向負極，負電荷轉向正極。如果電場方向改變，電荷也將改變位置，這種電荷的位移稱為“極化”。為此必須克服摩擦阻力，消耗一定的能量，而這種能量的消耗，通常又轉化為熱的形式放出，這就是在高頻焊接中塑料薄膜之所以發(fā)熱的道理。發(fā)熱的薄膜在底板與模具的適當壓力下，兩層薄膜就能粘合在一起。塑料高頻電焊原理：(1)高頻電源(2)控制系統(3)冷卻系統(4)工裝夾具工頻交流電直流電高頻交流電高頻變壓器感應線圈焊接件加熱整流逆變電流變換渦流效應時間控制：焊接時間，保溫時間，冷卻時間電流控制：過熱，過流保護控制：欠壓保護感應線圈的冷卻，高頻變壓器的冷卻，一般采用水冷依照焊接工件的定位、焊接要求等來制作工裝夾具3.高頻電焊的設備母材的焊接性兩塊電極端面之間的相互平行度及焊具運動的控制。焊接參數：焊接壓力、焊接功率、電場強度、焊接時間、冷卻時間、電極壓入深度等的控制。母材表面的清潔度。4.塑料高頻電焊的影響因素五、塑料焊接方法的選擇作業(yè)

第四章先進高溫合金的連接高溫合金概論一般高溫合金的焊接先進高溫合金的焊接1.高溫合金概念

高溫合金：以Fe、Ni或Co為基，為在承受較大的機械應力和要求具有良好表面穩(wěn)定性的環(huán)境下進行高溫服役而研制的一類合金，一般要求能在600~1200℃的高溫下抗氧化或腐蝕，并能在一定應力作用下長期工作。先進高溫合金：進一步提高合金的工作溫度和綜合性能。第一節(jié)高溫合金概論隨著人類飛向太空，核動力、光子火箭的發(fā)展，對高溫的要求進一步提高，將超出金屬高溫合金的極限，需要發(fā)展其他類型的高溫材料。圖

高溫合金的發(fā)展過程2.高溫合金發(fā)展概況3.高溫合金的特性在高溫下合金能具有較高的強度，良好的疲勞性能、斷裂韌度，以及強的抗氧化和抗熱腐蝕性能，并保持良好的組織穩(wěn)定性和可靠的使用性能等綜合性能。性能特點：⑴高溫合金具有較高的高溫強度；⑵良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能；⑶良好的疲勞性能、斷裂韌性、塑性。(1)按合金基體元素種類分：

鐵基高溫合金

鎳基高溫合金

鈷基高溫合金4.高溫合金的分類(1)鐵基高溫合金鐵基高溫合金由奧氏體不銹鋼發(fā)展而來，在18-8型不銹鋼中加入鉬、鈮、鈦等合金元素，使其在500~700℃溫度下的持久強度提高。優(yōu)點：成本低，可用于制作一些使用溫度較低的航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣機上的渦輪盤、導向葉片，以及一些承力件、緊固件等。缺點：鐵基高溫合金由于沉淀硬化型的組織不穩(wěn)定，抗氧化性差，高溫強度不夠，僅可使用于800℃，(2)鎳基高溫合金以鎳為基體，wNi>50%，可在700~1000℃溫度范圍內使用。優(yōu)點：鎳基高溫合金可溶解較多的元素，具有較好的組織穩(wěn)定性，高溫強度較高，比鐵基高溫合金有更好的抗氧化性和抗腐蝕性。應用最廣、用量最大的是鎳基高溫合金，常用于制造航空發(fā)動機的葉片、渦輪盤和燃燒室等。渦輪噴氣發(fā)動機內部示意圖1—壓氣機；2—燃燒室；3—渦輪發(fā)動機國產渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機及剖視圖鎳基高溫合金主要特點：1、高溫強度高：鎳基高溫合金中的強化相

’數量可高達60-70%（體積百分數），因而強化效果顯著。2、組織穩(wěn)定性高：FCC基體，不易產生有害相，

’數量大(可高達70%)且與基體共格性好，性能對尺寸的影響不敏感。3、合金化程度高：含有Cr、Co、Mo、W、B、Zr、Ta、V、Al、Ti等十多種元素。起固溶強化、第二相強化、晶界強化等綜合強化作用。4、耐蝕性好：耐中性、酸性、堿性、氧化及還原介質的腐蝕。耐高溫腐蝕和氧化。5、鑄造鎳基高溫合金可進一步提高合金化程度，從而具有更高的高溫強度。鎳基高溫合金的使用溫度已接近1100℃。(3)鈷基高溫合金WCo在40％~60％的奧氏體高溫合金，工作溫度可達730~1100℃。優(yōu)點：當溫度高于980℃時，其強度很高，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性都很佳，適合于航空發(fā)動機，工業(yè)燃氣輪機，艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導向葉片以及柴油機的噴嘴等。缺點：一般鈷基高溫合金含wNi=10%~22%和wCr=20%~30%，以及鎢、鉬、鉭、鈮等固溶強化和碳化物形成元素，其含碳量較高，是以碳化物為主要強化相的高溫合金，缺少共格類的強化相，中溫強度不如鎳基高溫合金。鈷是重要的戰(zhàn)略物質，大多數國家缺乏，因此發(fā)展受到嚴重限制。按合金強化類型分：固溶強化型合金時效沉淀強化型合金按合金材料成形方式分：變形高溫合金：餅、棒、板、環(huán)形件、管、帶和絲鑄造高溫合金：普通精密鑄造、定向凝固和單晶合金粉末冶金高溫合金：普通和氧化物彌散強化合金按使用特性：高強度合金、高屈服強度合金、抗松弛合金、低膨脹合金、抗熱腐蝕合金等。5.提高高溫合金性能的途徑和方法(1)結構強化1)固溶強化

加入其它元素，如不同原子尺寸的元素鈷、鎢、鉬等，引起基體金屬的點陣畸變。鎢、鉬可緩減基體金屬擴散；鈷降低合金基體的堆垛層錯能，從而提高合金的高溫穩(wěn)定性。

2)沉淀強化

通過高溫固溶后淬火時效的方法，使過飽和的固溶體中析出共格第二相的γ′、γ″、碳化物等細小顆粒均勻分布基體上，產生阻礙位錯運動，起到強化作用。3)晶界強化

晶界在低溫下是位錯滑移的阻礙，對于在低溫工作的合金，細化晶粒將有利于合金的強度提高。但是晶界在高溫下易發(fā)生蠕動，因此在高溫下使用的合金希望減少晶界的粗晶結構；另外為了提高晶界的高溫強度，采用控制有害雜質，加入微量元素如鋯等元素，強化晶界。（1）固溶強化高溫合金中的主要固溶強化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。其主要作用是：a.產生晶格畸變b.降低堆垛層錯能，使位錯運動困難c.降低擴散能力。（2）第二相強化除少量合金用碳化物強化外，高溫合金的主要強化相是

’[Ni3(AlTi)]，某些高溫合金用

’’[Ni3(NbTa)]強化，主要強化元素是Al、Ti、Nb、Ta。析出第二相的強化效果與第二相的本質(種類、晶體結構、成分及其與基體的配合程度)、大小、數量和穩(wěn)定性密切相關。獲得方法：時效析出彌散相、加入難熔彌散相（3）晶界強化高溫下，晶界參與變形，因而是弱化部位。合金化：主要晶界強化元素有B、Zr、Hf、Ce、La、Mg等，它們的作用主要是降低晶界能量和凈化晶界。高溫下，拉應力使金屬中垂直晶界的擴散加速(2)工藝強化

1)粉末冶金高熔點元素鎢、鉬、鉭的加入，凝固時會在鑄件內部產生偏析，造成組織不均。采用粒度數十至數百微米的合金粉末，經過壓制、燒結，成形的零件，可消除偏析，組織均勻，并節(jié)省材料，做到既經濟又合理。2)定向凝固

由于高溫合金中存在多種合金元素，塑性和韌性都很差，通常采用精密鑄造工藝成型。鑄造結構中的等軸晶粒的晶界，處于垂直于受力方向時，最易產生裂紋。葉片旋轉時受的拉應力和熱應力，平行于葉片的縱軸，采用定向凝固工藝形成沿縱軸方向的柱狀晶粒，消除垂直于應力方向的晶界，可使熱疲勞壽命提高10倍以上。通過嚴格控制陶瓷殼型冷卻梯度方法，做成單晶渦輪葉片，其承溫能力比一般鑄造方法的材料承溫提50~100℃，壽命增加4倍。3)快速凝固

快速凝固得到的高溫合金，合金的組織細化，偏析降低，固溶體基本過飽和度和缺陷增加，從而改善合金的組織，使前述各種強化手段的作用得到充分發(fā)揮。原來在一般凝固條件下不能獲得良好的組織，在快速凝固條件下則可獲得優(yōu)良的、非平衡狀態(tài)組織。在快速凝固條件下，由于這些相均勻細小的時效析出或共晶析出而起強化作用。6.高溫合金的應用(1)航空發(fā)動機1)燃燒室部分壓縮空氣與燃料混合，在燃燒室燃燒，所產生的燃氣溫度在1500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達800~900℃以上，局部可達1100℃。冷卻空氣與燃燒的氣體混合，使燃氣溫度降到1370℃以下?？梢?，燃燒室壁除受高溫外，還承受由于內外壁溫度不同引起的熱應力作用。特別是在起飛、加速和停車時，溫度變化更為急劇。由于周期循環(huán)加熱冷卻，熱應力可達很大值，冷卻孔更易破壞、燃燒室常出現變形、翹曲、邊緣熱疲勞裂紋等。2)導向葉片導向葉片是調整從燃燒室出來的燃氣流動方向的部件。先進渦輪發(fā)動機導向葉片工作溫度可高達1100℃，但葉片承受的應力比較低，一般在70MPa以下。對材料要求是：高溫強度好，熱疲勞抗力佳，抗氧化、耐蝕性優(yōu)異，并具有一定的抗沖擊強度和組織穩(wěn)定性。

3)動葉片動葉片是渦較發(fā)動機中工作條件最惡劣的部件。先進航空發(fā)動機的燃氣進口溫度已達1380℃，推力達226kN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉身部分承受拉應力大約140MPa；葉根部分承受平均應力為280~560MPa，相應的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。因此，動葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度，要有良好的疲勞強度及抗氧化、耐燃氣腐蝕性能和適當的塑性。此外，還要求長期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強度，可鑄性及較低的密度。

4)渦輪盤

航空發(fā)動機渦輪盤工作溫度在760℃左右，輪緣部分可達此溫度，而徑向盤心溫度逐漸降低，一般在300℃左右。輪盤正常運轉時，盤子帶著葉片、高速旋轉產生很大的離心力。停車、起動反復進行，形成周期疲勞。(2)火箭發(fā)動機

氣體發(fā)生器處于約1050℃的溫度下，由噴嘴中噴出的氣體的速度約為2500m/s。氣體靠近嘴壁處的溫度約為1350℃。圖8液體燃料火箭發(fā)動機示意圖1-噴嘴2-燃燒室3-混合帶4-噴射器5-主氣門6-氣體發(fā)生器7-渦輪機8-透平泵9-氧化劑10-壓縮氣11-燃料12-涂料13，14-金屬15-冷卻劑16-氣體(約2500m/s)燃料箱、泵傳送器所用材料，特別需要化學穩(wěn)定性。液態(tài)氟以及作為氧化劑的發(fā)煙硝酸和四氧化氮，具有特別強烈的侵蝕性，除了在1000℃以上的工作溫度下出于腐蝕而引起的問題之外，流過的氣態(tài)燃燒產物也產生沖蝕性。火箭啟動時，在1~2s內，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度過載，會對材料施加非常巨大的機械負荷，盡管元件所受應力是短時的，但由于其載荷的大小和方向急劇地發(fā)生變化，往往會引起疲勞斷裂?；鸺旧碇亓勘仨毐M可能的小，因此，金屬材料的比強度在火箭制造中具有特別重要的意義。彈道火箭進入大氣層時，熱流量為10000~25000kcal/(m2?s)，它在短時間內，引起巨大的溫度梯度，長時間作用則會建立起平衡溫度。對金屬材料的耐熱性有特殊的要求。(3)燃氣輪機航空發(fā)動機的燃氣輪機材料要求在較高溫度下，具有較高的持久強度和塑性變形等特點，而使用期限較短；商船和熱力機車上的燃氣輪機裝置使用時間考慮在100000h之內；軍用艦艇上的燃氣輪機裝置使用時間考慮10000~50000h。燃氣輪機中的螺栓，有時必須在高達600~750℃的溫度下工作。對緊固螺栓材料的主要要求是高溫時應具有高的屈服強度和抗松弛性能。為了使連接的零件可以自由膨脹和減少溫差應力，螺栓和連接零件的材料應具有相同的熱膨脹性能。(4)汽油及柴油發(fā)動機1)排氣閥

工作溫度一般為600~800℃，最高可達850℃以上。由于氣閥的高速運動和頻繁的啟動，出現機械疲勞和冷熱疲勞。另外，汽車發(fā)動機排氣閥要求抗PbO腐蝕(汽油中加入乙基鉛、溴化鉛等抗爆劑);柴油機排氣閥要求抗V2O3,，鈉和硫的腐蝕(重油中，含釩、硫、鈉等)。2)燒嘴

柴油機預燃燒室的燒嘴在800~900℃長時間使用，要求組織性能穩(wěn)定，抗熱循環(huán)疲勞性能良好，膨脹系數較低。3)熱發(fā)生器

作為排氣凈化裝置，熱發(fā)生器工作溫度達1000℃。與排氣閥相同，尤其使用高鉛汽油，由于鉛化合物產生加速氧化；另外，因排氣中低氧壓的緣故，大氣中微量的SO2和硫酸鹽容易引起硫化。(5)核工業(yè)1)核包殼

燃料元件包殼管壁承受600~800℃高溫，且壁又薄，材料必須具有高的蠕變強度。在液體金屬冷卻反應堆中，包殼受到的應力約為120~150MPa。材料在該條件下會出現嚴重的塑性變形，而造成燃料元件的提前斷裂。燃料元件包殼材料外部受冷卻劑的侵蝕，內部受燃料的侵蝕，所以作為燃料元件包殼材料的耐腐蝕率也有高的要求。燃料元件的包殼與燃料的化學反應、輻照損壞也是可能導致包殼材料的重要問題之一，對快速中子增殖反應堆燃料包殼材料具有重要影響的還有高溫脆性。

2)燃料元件定位架

它處于高溫、高壓、高通量輻照等苛刻條件下工作，要求材料有較好的綜合性能。

3)高溫氣體爐

將氦氣作為冷卻介質的反應堆，可獲得750~1000℃的高溫，作為煉鐵和化學工業(yè)及其他過程的熱源。原子能煉鐵，就是要利用這種核熱能，造成高溫還原性氣氛。為安全起見，氦/氦中間需有換熱器，這種換熱器擬采用鎳合金。(6)其他領域

1)煤的氣化、液化煤氣化環(huán)境中含有大量有腐蝕性的質點。這些物質與氣化器內的金屬部件接觸，在高溫下與氧化膜反應使之破壞，這些沉積物還阻礙氧化膜的繼續(xù)生成。在煤汽化中或類似氣氛中使用的高溫合金有：鐵基合金-N155，RA330，RA333，T63WC，310不銹鋼，Fe-18Cr-5AI-Mo-Hf，Fe-18Cr-5AI-Y，MA956E(Fe-19Cr-5AI-0.45Y2O3)；鎳基合金-IN617，IN657，IN738，IN739，Kimonic80A；鈷基合金-Haynes188，Stellte6B，X-40，Co-Cr-W-1。2)冶金工業(yè)冶金工業(yè)生產過程中的熱處理、加熱爐、軋鋼、煉鋼、測量等均離不開高溫過程，因此不少冶金設備的接觸高溫的部件需要高溫合金，如傳送帶、馬弗爐和爐子零件、熱處理爐的爐底輥、輻射管、高溫通風機、壓力鑄造的壓鑄模等。3)石油化工

石油化工管式裂解爐，管內通以裂解原料，管外用液體燃料或氣體燃料燃燒所發(fā)出的熱量來加熱管外壁。通過管壁的傳熱，將熱量傳遞給管內的反應物料。裂解反應溫度較高(約800℃)，而管外壁的溫度更高，這樣才能把熱量傳導到管內去。裂解爐管內是進行強烈吸熱的裂解反應。物料在管中流速大，停留時間短，要在每單位時間、每單位傳熱面對反應物流供給大量熱量，因此必須用高熱強度及耐高溫1000℃以上的合金。4)搪瓷制品

在日用搪瓷制品生產中，燒成爐用的吊架材質好壞，將直接關系到制品質量。吊架材質必須要求抗氧化、不起皮，900~950℃溫度下不易變形，易加工成形，架間粘瓷不超過2mm，其中GH30效果較好。搪瓷燒成爐需要輻射管，燒氣或油的爐均需在輻射管內燃燒，其熱量通過管壁傳給燒成爐。該輻射管要求耐高溫、抗氧化、耐硫化，并具有一定強度和良好工藝性能，目前使用GH128、GH30等合金。7.高溫合金的未來(1)難熔金屬合金目前使用的高溫合金，其使用溫度很難突破合金熔點溫度的80%，近似1100℃。難熔金屬的熔點大大超過高溫合金，約2000℃。由這些金屬組成的合金，可獲得比高溫合金更高的高溫強度。表

一些難熔金屬合金與高溫合金強度合金名稱抗拉強度/MPa1100℃1320℃1540℃1760℃高溫合金245~350---鈮合金350168119-鉬合金630385252182鉭合金560364210105鎢合金700420280210鉻合金315119--(2)金屬間化合物有序金屬間化合物是一種新型金屬基高溫材料。一類長程有序結構的化合物，如Ni3Al、NiAl、Fe3Al、FeAl、(Fe、Co、N)3V、Ti3Al等具有優(yōu)良的高溫性能。在一定溫度范圍內(0.5~0.8T熔點)，其屈服強度隨溫度的升而增加，而且具有良好的抗高溫氧化性能，彈性模量高，剛度大，密度低等良好的綜合性能，是很有前途的新一代高溫材料。金屬間化合物的溫度介于高溫合金與陶瓷材料之間(3)先進高溫合金

定向凝固和單晶高溫合金氧化物彌散強化高溫合金一、高溫合金的焊接性分析第二節(jié)一般高溫合金的焊接對于固溶強化的高溫合金，主要問題是焊縫結晶裂紋和過熱區(qū)的晶粒長大，焊接接頭的“等強度”等；對于沉淀強化的高溫合金，除了焊縫的結晶裂紋外，還有液化裂紋和再熱裂紋；焊接接頭的“等強度”問題也很突出，焊縫和熱影響區(qū)的強度、塑性往往達不到母材金屬的水平。高溫合金的焊接性：是指在某一焊接工藝條件下，合金產生裂紋的敏感性、接頭組織的均勻性、接頭力學性能的等強性和采取工藝措施的復雜性的綜合評價。1.高溫合金的裂紋敏感性(1)結晶裂紋影響焊縫產生結晶裂紋的因素：①合金元素含量的影響：采用不同的焊材，焊縫的熱烈傾向有很大差別。例如：鐵基合金Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3在TIG焊時，選用與母材合金同質的焊絲，即焊縫含有γ’形成元素，結果焊縫產生結晶裂紋；而選用固溶強化型HGH113，Ni-Cr-Mo系焊絲，含有較多的Mo，不易引起結晶裂紋。有益元素：W、Mo、Cr、Co、Al：在鎳中溶解度很大，形成面心立方的γ固溶體，合金不會產生相變，不會引起熱裂紋。含Mo量越高，焊縫的熱裂傾向越??；Mo還能提高固溶體的擴散激活能，而阻止形成多元化裂紋。有害元素：S、P、B、C等：是焊縫產生結晶裂紋的原因；尤其是多種元素共同作用，會顯著增大裂紋敏感性。有害元素：γ’形成元素Al、Ti的含量越高，再熱裂紋傾向越大。②變質劑的影響用變質劑細化焊縫一次結晶組織，能明顯減少熱裂紋傾向。③高溫合金的狀態(tài)固溶態(tài)＜時效態(tài)固溶態(tài)＜平整和冷軋態(tài)④合金的脆性溫度區(qū)間合金的脆性溫度區(qū)間越大，焊接結晶裂紋的敏感性越高。⑤焊接工藝的影響焊接接頭具有較大的拘束應力，促使焊縫熱裂傾向大。采用脈沖氬弧焊或適當減少焊縫電流，以減少熔池的過熱，對于提高焊縫的抗熱裂性是有益的。減小、消除結晶裂紋的措施：①較小的焊接電流減小焊接熱輸入，改善熔池結晶形態(tài)，減小枝晶間偏析。②采用抗裂性優(yōu)良的焊接填充材料。③在固溶狀態(tài)或淬火狀態(tài)下焊接。(2)液化裂紋低熔點共晶物形成的晶間液膜引起液化裂紋。①低熔點共晶：Ti、Si、Ni、Mo等元素的偏析，形成低熔點共晶物。部分碳化物相為低熔點共晶組織。②液膜：原相界面、碳化物相周圍都易形成液膜，造成晶界液化。③晶粒尺寸：焊接時常常在粗晶部位易產生液化裂紋。減小、消除液化裂紋的措施：①關鍵在于合金本身的材質：去除合金中的雜質，有助于防止液化裂紋。②降低熱輸入：避免晶粒粗化③減小過熱區(qū)及母材高溫停留時間：避免晶粒粗化(3)應變時效裂紋應變時效裂紋：鋁鈦含量高的沉淀強化高溫合金和鑄造高溫合金焊接后，在時效處理過程中熔合區(qū)附近會產生一種沿晶擴展的裂紋。應變時效裂紋的形成：應變：焊接殘余應力+拘束應力

應變時效：時效過程中塑性損失焊接方法對應變時效裂紋的影響：手工焊＞電子束焊減小、消除應變時效裂紋的措施：①選擇含Al、Ti較低、或用Nb代替部分Al、Ti的高溫合金。②減小拘束度。③控制焊接參數，調節(jié)焊接熱循環(huán)，避免熱影響區(qū)中碳化物促使產生相變而引起脆性。④改變拉應力為壓應力2.氣孔傾向主要原因：(1)坡口清理不徹底而殘存油污、氧化物及涂料等(2)液態(tài)金屬的粘度大避免氣孔的措施：(1)工藝：短弧焊和避風焊(2)焊絲中加入能形成氮化物、氧化物、碳化物的元素如Ti、Al、Si等3.組織不均勻性(1)固溶強化高溫合金

焊縫組織：鑄態(tài)結晶組織層狀組織、共晶組織

熱影響區(qū)：晶粒嚴重長大(2)沉淀強化高溫合金：

原始組織：γ、γ’、γ’’、碳化物、硼化物等

焊縫組織：單一的γ相，樹枝晶，成分偏析，共晶組織

熱影響區(qū)：

γ’、γ’’等強化相的溶解，碳化物的轉變4.力學性能不均勻性焊接接頭的“等強度”問題：主要取決于接頭區(qū)的組織特征高溫合金焊后，過熱區(qū)有顯著的晶粒粗化現象，接頭性能不均勻，對高溫塑性、疲勞強度、蠕變極限、持久強度、硬度等都有較大影響。為獲得比較理想的焊接接頭，應盡量減少接頭的過熱和組織不均勻性，故焊接時應盡可能選用能量集中的焊接方法和小的焊接線能量。二、高溫合金的焊接工藝要點1.焊前(1)焊前清理：難熔氧化膜：易在焊縫中形成夾雜物熔點：Cr2O3(2400℃)TiO2(2130℃)NiO(2090℃)Al2O3(2050℃)有害雜質：Pb、P、S等，影響焊接接頭性能(2)焊前熱處理：消除殘余應力，使材料軟化(3)合理的坡口：鐵基和鎳基合金的液態(tài)金屬流動性較差，焊接時易產生未熔合缺陷。措施：增大坡口角度，減小鈍邊厚度。2.焊接過程中措施(1)選用好的焊接材料通常采用Mo和W含量較高的Ni-Cr-Mo(W)系合金焊絲，抗裂性高。為確保焊接接頭的高溫強度，以采用同質焊絲或力求焊縫與母材的合金成分相近為好。對保護氣體、焊條、焊劑等，要求純度高，具有最小的氧化性，以保證最大的合金過渡系數。(2)加強保護高溫合金中有很多合金元素對氧有很大的親和力，若保護不好易被燒損，特別是鐵基合金。(3)減少焊接接頭的過熱焊縫的布置盡量避免交叉和分布過密，減少補焊次數，采用小焊接線能量和小截面焊道，選用脈沖焊，分斷焊等工藝。3.焊后措施焊后熱處理：對析出強化型鎳基高溫合金，進行焊后熱處理。要防止析出強化元素Ti和Al的養(yǎng)護，應在中性和還原性氣氛中進行。三、高溫合金的焊接方法1.TIG焊TIG焊是高溫合金比較好的焊接方法，尤其是鐵基合金，特別適應用于12.5mm以下薄板。為防止產生裂紋，焊接時采用小焊接線能量，窄焊道，電弧長度盡可能短，一般為1~1.5mm為宜。采用小直徑釷鎢極，端部磨成30~60°的尖角，以保持電弧穩(wěn)定，易于控制熔透和窄焊道。Ar氣保護。特別是焊接含有Al、Ti等元素的合金時，要特別加強保護。2.手工電弧焊鐵基合金中手工電弧焊使用較少，特別是沉淀強化型合金幾乎不用。對于鎳基合金，手工電弧焊一般只適用于1.6mm板厚以上的固溶強化型合金。焊條通常選用與母材合金成分相近，或選用高鎳焊條。采用小焊接線能量，小電流、快焊速、窄焊道焊接。3.MIG焊接MIG焊接的熱輸入量較大，易出現熱裂紋，只用于厚度大于12.5mm或高效率場合。4.等離子弧焊熔深大，可大于7~8mm，效率高TIG熔深2~3mm1954年法國J.A.Stohr博士成功焊接了核反應堆燃料包殼，標志電子束焊接金屬獲得成功；(1)電子束焊接發(fā)展簡史電子束焊接技術起源于德國，1948年前西德物理學家K.H.Steigerwald首次提出用電子束焊接的設想；電子束的發(fā)現迄今已有100多年的歷史；1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術大會上公布了該技術，電子束焊接被確認為一種新的焊接方法；1958年開始，美國、英國、日本及前蘇聯開始進行電子束焊接方面的研究；20世紀60年代后，我國開始從事電子束焊接研究；5.電子束焊接(2)電子束焊接的基本特征

①電子束焊接的過程電子束焊接是一種高能量密度的熔化焊方法。它是利用空間定向高速運動的電子束，撞擊工件后將部分動能轉化為熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。三級電子槍結構示意圖1－陰極；2－偏壓電極；3－陽極；4－聚焦線圈；5－偏轉線圈；6－工件；7－電子束；Ub－加速電壓；UB－偏壓；

高速電子流轟擊工件表面時，被轟擊的表層溫度可達104℃，表層金屬迅速被熔化，并伴隨液態(tài)金屬蒸發(fā)，產生小孔效應。材料表面蒸發(fā)走的原子的反作用力力圖使液態(tài)金屬表面壓凹，隨著電子束功率密度增加，金屬蒸氣量增多，液面被壓凹的程度也越大，形成一個通道。電子束經過通道轟擊底部待熔金屬，使通道逐步向縱深發(fā)展。②電子束焊接分類、特點及應用電子束焊接分類按電子束加速電壓不同低壓電子束焊接(U=15-30Kv)中壓電子束焊接(U=30-60Kv)高壓電子束焊接(U=60-150Kv)超高壓電子束焊接(U

300Kv)(2)按真空度不同高真空電子束焊接(10-6-10-3torr)低真空電子束焊接(10-3-10-1torr)非真空電子束焊接(大氣中)

(3)按焊件在真空室中位置全真空電子束焊接局部真空電子束焊接(4)按功率不同大功率電子束焊接(60KW以上)中功率電子束焊接(30-60KW)小功率電子束焊接(30KW以下)

普通電子束焊接脈沖電子束焊接(5)按加熱特點電子束焊接特點(1)電子束焊接的優(yōu)點(2)電子束焊接的不足a．加熱功率密度大。焊接用電子束電流為幾十到幾百毫安，最大可達l000mA以上；加速電壓為幾十到幾百千伏；故電子束功率從幾十千瓦到100kw以上，而電子束焦點直徑小于1mm。故電子束焦點處的功率密度可達103~105Kw/cm2，比普通電弧功率密度高100—1000倍。b．焊縫深寬比(H/B)大。通常電弧焊的深寬比很難超過2，電子束焊的深度比在50以上。電子束焊比電弧焊可節(jié)約大量填充金屬和電能，可實現高深寬比的焊接，深寬比達60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不銹鋼板。優(yōu)點c.焊接速度快，焊縫熱物理性能好