温度对铜膜中间层W/CuCrZr热等静压焊接质量的影响

采用磁控溅射沉积40μm铜膜作为中间层,分别在950、980和1050℃下通过热等静压(HIP)焊接技术制备了国际热核聚变实验堆(ITER)计划W/CuCrZr偏滤器部件焊接模块,以考察温度对磁控溅射沉积40μm铜膜作为中间层W/CuCrZr偏滤器部件焊接质量的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)和EDS能谱分析焊接界面的形貌和成分,利用超声波无损探伤(NDT)仪对焊接界面缺陷进行了检测,利用力学拉伸试验机考察了焊接界面的结合强度和CuCrZr合金的力学性能。结果表明:磁控溅射法沉积40μm铜膜作为中间层,可以有效地提高HIP焊接界面质量。特别是在980℃时,所制备的焊接模块能够满足ITER计划对于偏滤器部件连接性能的要求。     

聚变堆偏滤器钨涂层研究进展

钨涂层是最有希望的聚变堆偏滤器高热负荷面对等离子体材料。系统总结了钨涂层材料、连接及其制备研究进展,分析了钨涂层材料及其与热沉连接存在的问题,提出了偏滤器高热负荷面对等离子体钨涂层铁素体钢热沉材料(W/ODS)连续制备的发展方向,分析了钨涂层制备方法的优缺点,指出了电子束物理气相沉积(EBPVD)方法连续制备大面积的、显微结构可控的W/ODS的研发方向。     

不同界面对等离子喷涂钨结合强度的影响

在无氧铜的基体上制备了等离子喷涂钨基涂层以应用于核聚变反应堆中偏滤器部件的面向等离子体材料。比较了不同过渡层对等离子喷涂钨基涂层结合强度的影响。采用扫描电镜和能谱分析仪对涂层的微观形貌和组成进行了观察和分析。发现在涂层中和铜结合的界面比较疏松，而和钨结合的界面则较为致密。拉伸试验结果表明，和其他样品相比，室温下没有过渡层的钨涂层界面表现出较高的结合强度。     

W/CuCrZr偏滤器焊接模块高热负荷试验温度场分析

利用热等静压扩散焊接技术制备了国际热核聚变试验反应堆（ITER）偏滤器部件的W/CuCrZr焊接模块,并通过电子束试验装置考察模块的耐热负荷性能。为了进一步的考察模块的耐高热负荷性能,利用ANSYS软件模拟计算了稳态和热筛选条件下模块高热负荷（HHF）试验的温度场。结果表明,HHF试验时,试块的最大温度出现在W表面,且W表面的最高温度随着钨块的厚度和吸收功率密度的增大而升高。三种中间层试块,当W块厚度低于8 mm和吸收功率密度低于8 MW/m²时,CuCrZr合金和W材料的最高温度都满足偏滤器PFC设计许用温度的要求。     

泡沫铜表面改性对化学气相沉积高质量泡沫金刚石的影响

目的选择合适的过渡层材料改善三维连通泡沫铜衬底与金刚石之间的结合性,制备出三维连通结构的泡沫金刚石。方法选择三维连通的泡沫铜作为衬底,使用磁控溅射技术在其表面沉积Ti、Cr过渡层,然后通过热丝化学气相沉积技术(HFCVD)在表面改性后的泡沫铜衬底上沉积金刚石涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、拉曼光谱仪及红外热成像仪等仪器,对样品的表面/截面形貌、成分结构及热扩散性能进行检测与分析。结果经过Ti、Cr过渡层改性后,泡沫铜表面均能沉积出连续致密的高质量金刚石涂层,在相同的CVD沉积参数下,Cr过渡层泡沫金刚石(Cu-Cr/Dia)的晶粒尺寸更大(~5μm),晶粒质量更高,且膜层厚度大于Ti过渡层泡沫金刚石(Cu-Ti/Dia),Cu-Ti/Dia与铜衬底的结合性要优于Cu-Cr/Dia。Cu-Cr/Dia和Cu-Ti/Dia的热扩散性能均优于泡沫铜,其中Cu-Cr/Dia的热扩散能力略高于Cu-Ti/Dia。结论镀覆Ti、Cr过渡层有效增强了金刚石与泡沫铜衬底之间的界面结合,成功制备了三维连通结构的泡沫金刚石。     

高韧性过渡层对大气等离子喷涂热障涂层性能的影响EI北大核心CSCD

高温服役环境下,大气等离子喷涂(APS)制备的纳米结构热障涂层受热应力作用,黏结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层内部易形成横向裂纹而导致热障涂层失效。利用常规大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂(SAPS)制备8YSZ高韧性过渡层。结果表明,采用APS和SAPS制备的高韧性过渡层提高了扁平化粒子间结合状态和涂层致密度,相比常规结构8YSZ涂层的断裂韧性分别提高约46%和84%,高韧性过渡层均提高了复合结构热障涂层结合强度、抗热震性能和燃气热冲击寿命,SAPS制备的高韧性过渡层厚度为30~50μm时复合结构热障涂层抗热震性能最优,当高韧性过渡层厚度为10~30μm时,相比常规结构热障涂层燃气热冲击寿命提高120%。在温度梯度作用下,热障涂层最终失效由陶瓷层逐层剥落转变为靠近陶瓷层/黏结层界面处剥落。通过高韧性过渡层设计,兼顾热障涂层的隔热性能的同时,提高了热障涂层的结合强度和寿命。     

采用铜和铌复合中间层的钛合金与不锈钢的真空热轧焊接

采用铜(纯铜及含稀土元素钇的铜) 铌的复合中间层进行了钛合金与不锈钢板的真空热轧焊接试验,测试了接头拉伸强度,并利用金相显微镜、扫描电镜、XRD、能谱对连接界面的微观结构、断口形貌及中间层材料铜的组织进行了分析,结果表明,连接界面结合良好,无未焊合或开裂处;焊后未生成金属间化合物,在铌-钛合金界面处存在一厚度约为2.5μm的过渡层,而铜-不锈钢、铌-铜界面的过渡层厚度约为1.9μm;焊后铜晶界处产生了空洞,断口形貌显示出现了沿晶开裂的现象;稀土元素r的加入可以细化铜的晶粒,在相同的焊接工艺参数时含有稀土元素Y的铜层中未形成空洞,随着钇在铜中的质量百分含量由0.01%增加到0.02%,细化晶粒的效果更加显著,与采用纯铜作为中间层材料时的抗拉强度(326.9 MPa)相比分别提高了51.3MPa(铜中含钇0.01%,质量分数)和61.7 MPa(铜中含钇0.02%质量分数).     

建筑用双金属复合材料Fe/Zn界面组织与断裂行为研究

采用铸造法制备了一种具有片层状结构的Q235钢/Zn抗震复合材料,对复合材料过渡层中的显微组织进行观察,并分析了复合材料在外加载荷作用下显微裂纹的萌生和扩展行为。结果表明,Q235钢/Zn复合材料的过渡层中没有发现明显的显微裂纹等缺陷,带状的过渡层厚度约为45μm,靠近Q235钢基体一侧的过渡层界面较为平整,而靠近Zn基体一侧的过渡层界面呈现出锯齿状;过渡层中的主要物相为Fe_(11)Zn_(40)、FeZn_7、FeZn_(10)和FeZn_(13)相;Q235钢/Zn复合材料的显微裂纹萌生于过渡层界面,在外加载荷作用下逐渐向锌基体侧扩展,并优先使Zn基体发生断裂;纵向拉伸断口形貌中Q235基体断口为韧性断裂,而锌基体和过渡层界面表现为脆性断裂特征。     

高热负荷对钨铜材料工作应力分布影响的研究

采用高热负荷实验并结合有限元计算考察和分析了热流密度对钨铜合金工作应力分布的影响。结果表明：钨铜材料作为过渡层可以降低工作应力,当热流密度为1 MW/m2时,在钨板与铜块间焊接W60Cu合金作为过渡层,可使最大应力值比没有过渡层降低36%左右;工作时最大应力出现在两侧焊接层附近,并随热流密度增大而增大;钨铜合金（W60Cu）作为过渡层的试样在两焊缝处的应力,上部焊缝应力较大,下部焊缝应力较小。     

化学气相沉积铜涂层及其对氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面的影响

采用化学气相沉积技术,用氢气还原氯化铜的方法在氧化铝复相陶瓷表面制备铜涂层,确定适宜工艺参数并研究铜涂层对氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面结合的影响。利用X射线衍射仪、扫描电镜等对样品的显微组织、物相和表面形貌进行分析。研究结果表明:采用化学气相沉积技术在氧化铝复相陶瓷表面制备铜涂层的适宜工艺参数为:沉积温度850℃,保温时间为40 min时,获得的铜涂层均匀致密,且纯度较高。涂层与氧化铝复相陶瓷之间由于热膨胀系数的差异,在界面结合处存在小裂缝。氧化铝复相陶瓷/铁复合材料由于在界面处发生元素的扩散互熔有利于界面的结合。氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面结合良好,无明显的孔洞及裂缝等缺陷。     

预处理工艺对电镀制备的Cr涂层Zr-4合金的微结构和结合强度的影响

采用电镀技术在锆合金基体上成功制备出了优异微结构和高结合强度的Cr涂层。分析了不同预处理工艺制备的涂层表面和涂层与基体界面的微结构特征,并利用划痕法测试了涂层与基体的结合强度。结果表明:预处理工艺显著影响涂层粒径尺寸和界面微结构,采用活化处理和预镀镍可以获得平均粒径为0.52μm的致密Cr涂层。活化处理使Cr/Zr界面产生实质性的微观结合,尽管预镀镍层改善了界面微结构,但依然存在少许纳米尺度的微观缺陷。热处理使Ni和Zr原子相互扩散形成Ni_xZr_y金属间化合物的冶金结合的同时,最终消除了界面处的纳米级微观缺陷(如空洞、气泡、杂质与微裂纹等),从而制备出了具有Cr/Ni/Ni_xZr_y/Zr多层结构的Cr涂层Zr-4合金。Cr涂层与Ni层以晶格匹配的方式结合,Ni_xZr_y为多层结构,从Ni层到Zr-4基体依次为Ni_5Zr、Ni_7Zr_2、Ni_3Zr、Ni_(10)Zr_7、NiZr和NiZr_2相层。活化处理大幅度提升涂层与基体间的结合强度,界面结合强度由未活化的1.9 N提高到活化后的48.2 N,预镀镍进一步提高到75.8 N;而热处理形成的Ni_xZr_y为硬度较高的多层金属间化合物层,使结合强度略有降低。     

304钢/QAl9-4铝青铜复合界面的显微组织及性能

采用真空扩散焊接技术制备304不锈钢与QAl9-4铝青铜双金属复合材料,通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)分析了钢/铜复合界面的显微组织、相结构及化学成分,利用硬度测定仪及拉伸试验测试了界面处的力学性能。结果表明:在(1150±50)℃、4.0×10~(-2)Pa真空条件下,界面结合紧密,基体两侧的Fe、Al、Cu等合金原子发生互扩散,形成宽约140μm的过渡层,主要物相为Al Cr Fe_2、Al_4Cu_9、Al Ni3等,显微硬度最大值为420 HV0.02。复合材料的抗拉强度是278 MPa,拉伸断口在复合界面处,呈脆性断裂特征。钢/铜扩散焊接的机理是基体钢中Fe、Cr等元素优先在铜表面铺展润湿,在界面处与其他合金原子(Al、Cu等)发生相互扩散形成过渡层,最终形成良好的冶金结合。     

铝包铜复合导电头的界面组织及失效机制

采用固-液复合方法制备了铝包铜复合导电头,利用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS),对Cu/Al复合界面的微观组织形貌及相组成进行分析,并采用剪切试验、微观硬度测试、涡流导电仪及电化学测试对Cu/Al复合界面的结合强度、微观硬度、界面导电性及耐腐蚀性能进行了研究。结果表明,固-液复合法制备的铝包铜导电头Cu/Al界面由大量金属间化合物与Al基体的混合物相组成,界面过渡层平均宽度约为500μm,存在分布不均匀且尺寸较大的类孔型缺陷及细小的裂纹,界面连接强度较低,为6~10 MPa,界面耐腐蚀性和导电性较差。导电头使用前后Cu/Al异质界面组织及性能对比分析表明,铝包铜导电头界面失效的主要原因是界面大量缺陷和较厚的界面过渡层致使界面处导电性变差,从而在通电时电阻发热严重恶化界面,最终导致失效。     

多层管HIP焊接界面脱粘涡流检测数值模拟研究

采用热等压焊接(HIP)的界面焊接多层管是托卡马克装置换热结构典型部件,其界面焊接不良或脱粘会严重影响材料的传热性能。针对多层管HIP焊接界面裂纹的涡流检测问题,本研究基于退化向量位(Ar)涡流检测分析程序数值模拟分析了双功能DF Bobbin涡流探头的检出性能。数值计算结果表明,对于较大界面脱粘缺陷,基于DF Bobbin探头的涡流检测是可行的。探讨了探头参数(包括探头线圈间距、宽度及外径)与检测性能的相关性,为优化检测探头提供了依据。     

SiC纤维增强Ti600复合材料界面研究

通过纤维涂层法(MCF)、结合热等静压(HIP)工艺制备了SiCf/Ti600复合材料,经不同条件真空热暴露试验后,结合SEM、EDS、XRD等分析技术对界面反应动力学和反应产物相形成的反应序列进行初步研究.结果表明,反应元素C、Si、Ti等出现浓度起伏,合金元素Al并没有显著扩散进入界面反应产物层,而是在界面反应前沿堆积,其界面反应产物被确认为:TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2,界面反应产物的生长受扩散控制且遵循抛物线生长规律,其生长激活能Qk及指数系数Ko分别为266.46 kJ·mol-1.37x10-3m·s-1/3.     

铜/钛搅拌摩擦搭焊接头特征及界面结合机制

研究了搅拌摩擦焊法搭接TA2工业纯钛和T2紫铜。工艺优化实验结果表明：Cu/Ti搭接搅拌摩擦焊工艺窗口较窄,在搅拌头转速800 r/min、焊速20 mm/min以及搅拌头转速900 r/min、焊接速度30 mm/min的焊接工艺参数配比条件下,可获得无缺陷且焊缝表面、搭接界面成形良好的Cu/Ti接头。对搅拌头转速800 r/min、焊速20 mm/min的焊接参数下获得的Cu/Ti接头焊缝进行金相和SEM观察,分析结果表明：搭接界面两侧Cu、Ti宏观流动现象明显,Ti向Cu一侧的塑性材料流动量要明显优于Cu向Ti一侧,且在局部机械混合区呈典型的Cu/Ti相间条带状结构;在搭接界面处形成一层平均厚度约为4.8 μm的扩散过渡层,在过渡层中Cu的扩散速度要大于Ti的扩散速度,Cu/Ti搭接界面形成冶金结合     

焊接线能量对5182-O/HC260YD+Z异种材料CMT搭接接头组织与性能的影响

以AlSi5焊丝作为填充材料,采用冷金属过渡(CMT)焊接技术对5182-O/HC260YD+Z异种材料进行搭接熔钎焊,借助OM、XRD、SEM、EDS分析了不同工艺参数下搭接接头的宏观形貌及微观组织特征,并对接头显微硬度及剪切强度进行了测试。结果表明,焊接线能量通过影响钎焊界面IMCs层厚度进而影响接头性能及断裂类型;当送丝速率为5 m/min、焊接速率为9 mm/s时,IMCs层厚度约为6μm,接头剪切强度可达160 MPa;接头断口形式分为"熔焊界面型"及"钎焊界面型",近起弧处均为"熔焊界面型"断口,随着焊接线能量增加,钎焊界面IMCs层厚度增加,近收弧处断口类型逐渐由"熔焊界面型"向"钎焊界面型"演变;当焊缝单位长度上焊机输出功为150～210 J/mm时,IMCs层厚度小于9μm,接头剪切强度较好,且较易获得"熔焊界面型"断口。     

超声波辅助钎焊铜/铝异种金属接头界面组织性能及强化机制

为了研究铜/铝异种金属钎焊接头界面金属间化合物层组织结构对接头性能的影响,从化合物结构出发,提出了一种预涂敷钎料的超声波辅助钎焊复合工艺.结果表明,采用Sn-9Zn共晶钎料,得到细小金属间化合物弥散地分布在铜表面的界面结构,增强了界面强度,其接头抗拉强度甚至超过传统工艺下将金属间化合物层减薄到极限厚度(1~2μm)时的强度.提出了一种基于超声预涂敷工艺的界面化合物结构调控方法,研究了化合物在钎焊过程中的演变规律,以及金属间化合物层在不同结构和分布情况下对接头力学性能的影响,探索了铜/铝异种金属低温焊接的新途径.     

铝/铜异种金属熔钎焊接头微观组织与力学性能

采用ER5356铝镁焊丝对1060纯铝与T2紫铜进行了脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊,并对接头宏观形貌、微观组织及力学性能进行了分析. 结果表明,在合适的焊接工艺参数下,可以获得成形美观、连续均匀、无缺陷的铝/铜异种金属接头. 焊接接头从铜侧以金属间化合物层、Al-Cu共晶体向焊缝过渡,金属间化合物主要由脆硬的Al2Cu相组成,而焊缝区主要由先析出的α(Al)固溶体以及从其晶界上析出的网状(Al)+S(Al2CuMg)/θ(Al2Cu)共晶组织组成. 随着焊接热输入的增加,金属间化合物层厚度明显增大,而焊接接头拉伸载荷先升高后下降,这与焊缝在铜母材上润湿铺展有关. 接头拉伸时,主要在铝母材热影响区和焊缝与铜母材界面处发生断裂.     

NiTi形状记忆合金激光气体氮化层组织及磨损性能

采用高功率连续波固体Nd：YAG激光辐照，在置于N2反应室中的NiTi形状记忆合金表面制备激光气体氮化层。实验表明：选择适当的激光辐照工艺参数，可获得致密的TIN增强金属基复合材料(MMC)梯度涂层，改性层的表面被厚度为1μm～2μm的TIN陶瓷层封闭，涂层内部TIN增强相呈梯度分布。扫描电镜(SEM)及能谱(EDX)分析结果表明，MMC改性层与基体NiTi合金间存在良好的冶金结合，界面处成分均匀过渡，表面Ni含量极低。显微硬度测试及磨损试验结果表明，激光气体氮化显著提高了NiTi合金的表面硬度和耐磨性。说明激光表面改性有效地改善了NiTi形状记忆合金作为生物医学材料使用的表面成分和性能，并将有效地抑制有害元素Ni^2 的释放。