本書為釬焊領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)資料，內(nèi)容涵蓋釬焊理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用技術(shù)，具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。書中薈萃巴頓焊接研究所的Khorunov院士團(tuán)隊(duì)、德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)Tillmann教授團(tuán)隊(duì)、發(fā)過格勒諾布爾研究所Eustathopoulos的研究成果。
硬釬焊是一種通過使用 450℃ 以上的溫度來影響釬料或鍍層金屬的相變過程以
實(shí)現(xiàn)同種或異種材料之間的連接的焊接技術(shù), 該技術(shù)能夠較好地保持被焊母材的完
整性。 按照這種命名方式, 軟釬焊則被定義為使用 450℃ 以下的溫度來實(shí)現(xiàn)相似連
接的工藝。 事實(shí)上, 這兩種連接方式所涉及的物理和化學(xué)過程是極為相似的。 兩者
最主要的區(qū)別是釬料的選擇, 選擇不同的釬料會在加熱、 焊接、 冷卻過程中導(dǎo)致不
同的現(xiàn)象。
釬焊在開始并不是作為一門科學(xué), 而是作為一門技術(shù), 也就是說, 釬焊是通過
實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的學(xué)問和技藝。 因此, 釬焊技術(shù)是人類最古老的技術(shù)之一, 其
源頭可追溯到人類文明的開端。 正如蘇美爾文明的大量遺址中所記錄的那樣, 在公
元前 3000 多年前, 人類已經(jīng)了解了一些金屬的釬焊技術(shù)。 相關(guān)的技術(shù)隨后傳播到
埃及, 之后到達(dá)中國和其他國家。 隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn), 相關(guān)的工藝過程已經(jīng)
達(dá)到非常高的水平。 這可能在很大程度上得益于精密的實(shí)驗(yàn)儀器, 如掃描電子顯微
鏡、 原子力顯微鏡、 X 射線衍射分析儀等的使用。 這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)也得到了數(shù)值模擬
工具開發(fā)的輔助, 例如, 超級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了相-場方法模擬。 但是, 釬焊科學(xué)是在
不斷發(fā)展的, 所以釬焊科學(xué)與釬焊技術(shù)之間適當(dāng)?shù)穆?lián)系仍然有待于探索。
本書旨在幫助渴望了解釬焊科學(xué)的釬焊領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)者, 使其不僅能夠更加充
分地理解釬焊過程的現(xiàn)象, 而且能夠熟悉該科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的實(shí)施。
在釬焊領(lǐng)域的技術(shù)文獻(xiàn)中, 雖然已有一些備受推崇和傳播廣泛的專題著作和手
冊 (主要側(cè)重于技術(shù)而對前沿方向的基本問題不夠重視) , 但這些著作和手冊都未
能從釬焊母材和釬料體系的冶金行為、 釬焊工藝優(yōu)化, 以及釬焊結(jié)構(gòu)力學(xué)、 熱學(xué)和
腐蝕行為等方面深入闡述各種技術(shù)問題。 本書旨在通過提供對大量前沿釬焊主題進(jìn)
行深度研究的文獻(xiàn)資料來填補(bǔ)這一空白。 由多個或一個作者組成的十九個團(tuán)隊(duì)接受
了主編的邀請, 在選定的領(lǐng)域編寫相關(guān)章節(jié), 作者可以按照自己的意愿編寫相關(guān)
主題。
除了提到的主要目的編寫釬焊領(lǐng)域的一本技術(shù)資料書籍, 另一個動機(jī)是規(guī)
范其內(nèi)容。 受邀作者來自不同國家, 代表了釬焊領(lǐng)域最負(fù)盛名的世界級組織機(jī)構(gòu),
包括國家實(shí)驗(yàn)室、 機(jī)構(gòu)、 學(xué)術(shù)組織, 以及工業(yè)企業(yè)的研發(fā)中心, 同時也邀請了焊接
領(lǐng)域的其他專家學(xué)者。 就研究 / 技術(shù)的重點(diǎn)而言, 研發(fā)的力度和興趣、 產(chǎn)業(yè)的需求、
技術(shù)的進(jìn)步, 以及產(chǎn)業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的相互交流等情況都顯著不同。 例如, 來自亞
洲、 歐洲或美洲的作者團(tuán)隊(duì)可能為未來進(jìn)一步的研究提供更加多樣化的資源, 從而
提供給其他研究中心的專業(yè)人士特有的機(jī)會, 可以用更寬廣和更深入的視角了解相
關(guān)的信息。 此外, 來自不同研究中心的研究人員必將沿著側(cè)重點(diǎn)不同但卻相同或相
似的當(dāng)今熱點(diǎn)主題方向開展研究。 顯而易見, 不同主題的研究方法很難在某一位作
者的論文或手冊中概括和體現(xiàn)出來, 因?yàn)橥ǔＰ枰岢鰴?quán)威的觀點(diǎn), 并提供標(biāo)準(zhǔn)的
研究方法。
本書分成三個部分: ①釬焊基礎(chǔ) ( 第 1 ~ 3 章) ; ②釬焊工藝 ( 第 4 ~ 13 章) ;
③釬焊和釬焊材料應(yīng)用 (第 14 ~ 19 章) 。 顯然, 每個章節(jié)都包含這三個方面, 因?yàn)?br />在死板的框架中構(gòu)建內(nèi)容是沒有任何意義的, 因此, 本書結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的闡釋將會是
豐富多樣的。
第一部分中的第 1 章由法國格勒諾布爾理工學(xué)院材料工藝科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室的
Eustathopoulos 博士、 Hodaj 教授和 Kozlova 博士編寫, 其中的潤濕與黏附的基本概念
中包含了對不同類型的固體潤濕的解釋, 這些固體包括金屬、 非共價陶瓷和碳基陶
瓷等, 討論了釬焊過程中非反應(yīng)性和反應(yīng)性體系潤濕和鋪展過程的熱力學(xué)問題。 在
第 2 章中, 美國航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的 Flom 博士提出了一種對釬焊結(jié)
構(gòu)的失效分析方法, 這種有限元分析的工程方法基于 Tresca 和 Von Mises 提出的最
大切應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。 隨后, 介紹了用于評估釬焊接頭安全性的相互作用方程和 Coulomb-Mohr
失效準(zhǔn)則。 在第 3 章中, 由來自美國肯塔基州列克星敦市肯塔基大學(xué)的
Sekulic教授討論了釬焊過程建模。 該章對釬焊過程中的熱循環(huán)建模、 釬焊結(jié)構(gòu)中熱
應(yīng)力行為的建模, 以及微觀尺度下的現(xiàn)象 (包括固態(tài)擴(kuò)散、 覆層 / 釬料熔化和毛細(xì)
作用驅(qū)動的鋪展, 以及釬焊過程中的凝固過程等) 的建模方法都進(jìn)行了總結(jié)。
第二部分的首章, 即第 4 章是由來自烏克蘭基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院
士和 Maksymova 博 士 領(lǐng) 導(dǎo) 的 團(tuán) 隊(duì) 編 寫 的, 內(nèi) 容 包 括 釬 焊 高 溫 合 金 用 無 硼 釬 料 和
-TiAl基金屬間化合物釬焊用無銅釬料。 其中, 高鎳基和 Ti-Al 基金屬間化合物是耐
熱材料很好的例子。 該章還討論了發(fā)生在 Ni-Cr-Zr 系合金中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變, 而且列出
了 Ti-Zr-Fe、 Ti-Zr-Mn 系合金的熔點(diǎn)范圍、 濃度范圍、 結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能。 論述
了用于釬焊陶瓷切削材料的活性釬料合金的應(yīng)用。 在第 5 章中, 美國 Metglas 公司
的 Rabinkin 博士對高溫釬焊提出了全面、 系統(tǒng)的論述, 并著重強(qiáng)調(diào)了釬料和釬焊工
藝。 對現(xiàn)有的釬料種類以及含磷的 Ni / Fe / Cr 基新型共晶合金釬料進(jìn)行了概述。 對
添加 Ge 或 Zr / Hf / Cr 的鎳基合金釬料也進(jìn)行了論述。 該章詳細(xì)地討論了鋼和合金釬
焊的顯微組織、 性能和最佳釬焊工藝。 Rabinkin 博士帶領(lǐng)的另一支團(tuán)隊(duì), 包括美國
俄亥俄州鈦 釬 焊 公 司 的 Shapiro 博 士 和 來 自 于 列 支 敦 士 登 Listemann AG 公 司 的
Boretius 博士, 編寫了第 6 章。 首先, 重點(diǎn)解釋了金剛石與立方氮化硼界面反應(yīng)的
本質(zhì), 其次是金剛石在釬焊和退火過程中的石墨化問題, 以及金屬在金剛石和立方
氮化硼上的潤濕問題, 最后探討了釬焊工藝過程。 中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的何鵬教授
編寫了本書的第 7 章和第 8 章, 每章講述一個主題: 第 7 章為氧化物、 碳化物、 氮
化物陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的釬焊; 第 8 章為鎳-鋁、 鐵-鋁和鈦-鋁金屬間化合物的
釬焊。 第 7 章屬于講述陶瓷釬焊這一重要領(lǐng)域的一系列章節(jié)的一部分。 陶瓷難以連
接, 釬焊被認(rèn)為是少數(shù)可以有效連接陶瓷的技術(shù)。 該章對陶瓷釬焊的每一個難點(diǎn)都
提出了深入的思考。 第 8 章研究了金屬間化合物材料, 如 Ni-Al、 Fe-Al 和 Ti-Al 等
的連接存在的問題, 同時對每個體系的金屬間化合物的物理性能進(jìn)行了描述, 其次
是釬焊方法的介紹。 之后的第 9 章和第 10 章涵蓋了鋁釬焊的研究, 分別由烏克蘭
基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院士、 Sabadash 博士, 以 及 美 國 厄 巴 納 Creative
Thermal Solutions 公司的趙博士和美國普萊森頓的 Woods 博士撰寫。 第 9 章是關(guān)于
主要依靠活性釬劑的鋁及鋁合金和鋼的釬焊。 在第 10 章中, 趙博士和 Woods 博士
詳細(xì)論述了大量使用氟鋁酸鉀釬劑在可控氣氛環(huán)境下釬焊鋁的研究。 美國俄亥俄州
威斯康星大學(xué)斯陶特分校的 Asthana 教授和美國克利夫蘭的美國航空航天局格倫研
究中心俄亥俄州航空航天研究所的 Singh 博士撰寫的第 11 章中提到了使用活性金屬
釬料釬焊陶瓷基復(fù)合材料和金屬。 面對苛刻的使用要求, 先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料表
現(xiàn)出了巨大的潛力, 但其組件的連接非常具有挑戰(zhàn)性。 該章對潤濕和熔融金屬滲透
的問題進(jìn)行了討論。 隨后對 SiC-SiC、 C-SiC、 C-C 和 ZrB2 基超高溫陶瓷、 氧化物、
氮化物和硅基復(fù)合材料的釬焊進(jìn)行了綜述, 并對界面的微觀結(jié)構(gòu)、 力學(xué)和物理性能
進(jìn)行了詳細(xì)的討論。 金屬與陶瓷釬焊主題的最后一章 ( 第 12 章) 由 Hausner 博士
和德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的 Wielage 教授編寫。 作者著重介紹
了金屬-陶瓷釬焊技術(shù)的現(xiàn)狀。 對于選擇的材料系統(tǒng)的組合, 提供了更詳細(xì)的微觀
結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。 該章提供了陶瓷性能、 標(biāo)準(zhǔn)釬焊工藝、 金屬化陶瓷釬焊、 活性釬
焊以及金屬-陶瓷釬焊接頭的力學(xué)性能信息, 討論了若干釬焊實(shí)例。 本部分的最后
一章 即 第 13 章 專 門 介 紹 了 金 屬 和 C / C 復(fù) 合 材 料 的 釬 焊。 日 本 東 京 工 業(yè) 大 學(xué) 的
Ikeshoji 博士首先介紹了 C / C 復(fù)合材料的性能, 其次討論了釬料的規(guī)格和推薦的釬
料, 最后探討了釬焊工藝過程。
第三部分是釬焊和釬焊材料應(yīng)用。 第 14 章由德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)材料工程
學(xué)院 Tillmann 教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)編寫, 團(tuán)隊(duì)成員還有 Elrefaey 博士和 Wojarski 博士。
作者討論了硬質(zhì)合金 ( 碳化鎢和金屬黏結(jié)劑) 和高性能陶瓷與結(jié)構(gòu)鋼等基體的釬
焊, 用于制作切削工具; 深入討論了用于釬焊這種體系材料制作的切削工具的釬
料。 在第 15 章中, 來自于德國埃斯林根 Innobraze 公司的 Krappitz 博士, 對釬涂這
種有趣的釬焊應(yīng)用過程進(jìn)行了討論。 通過這種技術(shù)可以在惡劣環(huán)境中工作的組件上
制備功能涂層, 釬涂的應(yīng)用包括表面修復(fù)、 磨損保護(hù), 以及防止腐蝕和氧化。 在第
16 章中, 美國新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的 C. A Walker 論述了金屬-
非金屬釬焊在電子包裝和電子元件結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。 他強(qiáng)調(diào), 金屬-非金屬釬焊技術(shù)
經(jīng)受住了時間的考驗(yàn), 而且已證明該連接方法可用于制造高壓、 大電流設(shè)備和電力
行業(yè)的絕緣子, 為今天的材料工程師或設(shè)計(jì)師提供了利用最新工程材料特殊性能的
機(jī)會。 該章開篇列舉了諸多功能性需求, 并進(jìn)一步討論了如何選擇釬焊工藝 (包括
釬料和基體) 和進(jìn)行夾具的設(shè)計(jì)。 緊接著又論述了材料表面金屬化的方法。 結(jié)尾部
分總結(jié)了釬焊方法和性能測試方法。 在第 17 章中, 意大利都靈理工大學(xué)材料科學(xué)
與化學(xué)工程系的團(tuán)隊(duì)考慮將玻璃和玻璃-陶瓷釬料用于固體氧化物燃料電池的密封
材料, 以 及 用 作 碳 化 硅 基 材 料 的 釬 料。 這 個 團(tuán) 隊(duì) 由 Salvo 教 授 領(lǐng) 導(dǎo), 成 員 有
V. Casalegno 博士、 S. Rizzo、 Smeacetto 教授、 A. Ventrella 和 Ferraris 教授。 第一項(xiàng)應(yīng)
用是用作平面固體氧化物燃料電池的密封材料, 這種材料要求在潮濕的環(huán)境中和在
800℃ 環(huán)境使用時都保持熱力學(xué)和熱化學(xué)性能的穩(wěn)定。 第二項(xiàng)應(yīng)用涉及核 ( 核聚變
和核裂變) 設(shè)備中玻璃-陶瓷材料在碳化硅基材料釬焊中的應(yīng)用和高溫應(yīng)用。 釬焊
的另外一個重要應(yīng)用包括民用領(lǐng)域 (如飲用水或食品工業(yè)) 使用的金屬材料釬焊的
鎳基釬料。 在第 18 章中, 德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的 Wielage 教授和 Hoyer 博士對鎳
基材料列入無害材料名單的可能性做
寫給中國讀者的話
譯者序
前言
第一部分 釬 焊 基 礎(chǔ)
第 1 章 釬焊中的潤濕過程 ……………………………………………………………………… 1
1. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 1
1. 2 液態(tài)金屬和氧化物對固體母材的潤濕 ……………………………………………… 2
1. 2. 1 非反應(yīng)潤濕 ……………………………………………………………………………… 2
1. 2. 2 反應(yīng)潤濕 ………………………………………………………………………………… 5
1. 3 潤濕與釬焊: 總則 ……………………………………………………………………… 6
1. 3. 1 毛細(xì)釬焊 ………………………………………………………………………………… 6
1. 3. 2 夾層釬焊 ………………………………………………………………………………… 9
1. 4 非反應(yīng)性釬料及反應(yīng)性釬料釬焊金屬和陶瓷 …………………………………… 12
1. 4. 1 CuAg 共晶釬料在不銹鋼上的潤濕 …………………………………………………… 12
1. 4. 2 熔融金屬和熔融硅化物在 SiC 上的潤濕 ……………………………………………… 14
1. 4. 3 反應(yīng)性 CuAgTi 合金在氧化鋁陶瓷上的潤濕 ………………………………………… 16
1. 5 結(jié)論 ………………………………………………………………………………………… 18
1. 6 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 19
第 2 章 釬焊接頭強(qiáng)度和安全裕度 …………………………………………………………… 21
2. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 21
2. 2 釬焊接頭分析常用失效準(zhǔn)則的適用性……………………………………………… 22
2. 2. 1 最大正應(yīng)力準(zhǔn)則 ………………………………………………………………………… 22
2. 2. 2 最大切應(yīng)力和八面體應(yīng)力準(zhǔn)則 ………………………………………………………… 22
2. 2. 3 交互作用方程 …………………………………………………………………………… 24
2. 2. 4 Coulomb-Mohr 失效準(zhǔn)則 ………………………………………………………………… 27
2. 2. 5 適用性評估 ( FFS) 方法 ……………………………………………………………… 27
2. 3 發(fā)展失效評定圖 ( FADs) 的另一種方法 ………………………………………… 28
2. 4 總結(jié) ………………………………………………………………………………………… 35
2. 5 致謝 ………………………………………………………………………………………… 35
2. 6 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 35
第 3 章 釬焊過程中系列現(xiàn)象的模擬………………………………………………………… 38
3. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 38
3. 2 釬焊系統(tǒng)模擬 …………………………………………………………………………… 39
3. 2. 1 加熱區(qū)模擬 ……………………………………………………………………………… 41
3. 2. 2 連續(xù)釬焊爐模擬 ………………………………………………………………………… 42
3. 3 釬焊結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的有限元分析 …………………………………………………… 43
3. 4 微觀尺度的釬焊現(xiàn)象模擬 …………………………………………………………… 47
3. 4. 1 接頭形成模擬 …………………………………………………………………………… 48
3. 4. 2 表面張力驅(qū)動流動的模擬 ……………………………………………………………… 49
3. 4. 3 接頭凝固的模擬 ………………………………………………………………………… 51
3. 5 總結(jié) ………………………………………………………………………………………… 53
3. 6 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 53
第二部分 釬 焊 材 料
第 4 章 高溫合金及金屬間化合物合金 (-TiAl) 的釬焊 …………………………… 60
4. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 60
4. 2 鎳基高溫合金的釬焊 …………………………………………………………………… 61
4. 2. 1 高溫合金的焊接性 ……………………………………………………………………… 61
4. 2. 2 常規(guī)釬焊技術(shù) …………………………………………………………………………… 61
4. 2. 3 高溫合金釬焊技術(shù)的創(chuàng)新 ……………………………………………………………… 62
4. 3 鈦鋁金屬間化合物的釬焊 …………………………………………………………… 69
4. 3. 1 釬料 ……………………………………………………………………………………… 70
4. 3. 2 釬焊溫度和保溫時間 …………………………………………………………………… 74
4. 4 結(jié)論 ………………………………………………………………………………………… 80
4. 5 發(fā)展趨勢 …………………………………………………………………………
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