固相连接界面行为讲议6
自蔓延高温连接
自蔓延高温连接原理
?自蔓延高温合成(Self-propagating high-temperatu re synthesis,简称SHS)又称燃烧合成(Combustion s ynthesis,简称CS),是由前苏联科学家Merzhanov等人于1967年提出并随后发展起来的可用于制备材料的新工艺。
?自蔓延高温连接是指利用SHS反应的放热及其产物来焊接受焊母材的技术。即以反应放出的热为高温热源,以SHS产物为焊料,在焊接件间形成牢固连接的过程。
自蔓延高温连接特点
1、连接时可利用反应原料直接合成梯度材料来连接异种材料，其成分组织逐渐过渡，以克服母材间化学、力学和物理性能的不匹配，从而可能缓解接头处的残余应力。
2、对于某些受焊母材的连接，可采用与制备母材工艺相似的连接工艺，从而可使母材与焊料有很好的物理、化学相容性。
自蔓延高温连接特点
3、根据被连接母材来源不同，SHS连接可分为一次连接和二次连接。
4、SHS连接可用来连接同种和异型的难熔金属、耐热材料、耐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金属间化合物。
自蔓延高温连接工艺
接头完整、焊缝区产物密度高且物相要分布均匀，都强烈的依赖于SHS反应的温度。
反应产物的致密度与是否出现液相和连接过程中施加的压力大小有关。
在不影响接头其它性能的前提下，要求连接温度和连接压力越高越好。
最佳的连接温度应高于低熔点组元的熔点，以便在反应过程中出现液相，获得致密的接头。
在连接陶瓷等脆性材料时，连接压力必须慎重选择，否则可能会在连接过程中由于压力过大，使母材受压而破裂。
SHS连接一般在真空条件下进行。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
1）TiAl自蔓延高温连接中间层组元的选择
发生SHS反应需要有高放热反应的体系组元，同时还应含有某种能够降低反应引燃温度的组元。
常用的活泼金属主要有Ti，Zn，Ni等。
对于TiAl可选用Ti元素为自蔓延高温连接中间层组元。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
1）TiAl自蔓延高温连接中间层组元的选择
常用的小原子非金属主要有C，N，B三种元素。
在这三种元素中，C元素单质形式为固体，C元素时SHS制备材料过程中最经常使用的反应组元。
但是若在中间层中选用C元素，在SHS连接后连接界面处会产生很大的残余应力，这对SHS连接是非常不利的。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
1）TiAl自蔓延高温连接中间层组元的选择
N元素由于其单质形式为气态，气体一大部分会残留在中间层反应体系中，则中间层最终反应产物的致密度非常的，难以实现高强度连接。
B元素发生反应的放热量相对较高，完全可以满足实
现稳定SHS反应的要求，而且最终生成硼化物时与母
材的性能也比较接近，容易实现高强度连接，因此可
选用B元素为自蔓延高温连接中间层组元。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
1）TiAl自蔓延高温连接中间层组元的选择
而为了体系比较容易引燃，往往在反应体系中加入一些低熔点金属以降低体系的引燃温度，为了SHS连接能够比较容易实现，选择的组元应该比反应体系的其他组元熔点稍低。
但是在选用了这种低熔点组元之后在选择中间层各元素相对含量时必须注意不要使反应体系达到的最高温度超过该元素的沸点，否则在SHS反应过程中产生大量的气体，最终产物的致密度也会下降从而使连接质量下降。
对于被连接母材TiAl而言，选用Al元素作为中间反应层组元比较合适。
可选用Ti粉，B粉和Al粉作为中间反应层的组元。
2）TiAl自蔓延高温连接中间层成分设计
中间反应层的成分设计应首先考虑生成的反应产物类型和能否发生稳定的SHS反应，预测SHS过程实现可能性的最可靠的方法是计算给定混合体系的绝热燃烧温度。
绝热燃烧温度是反应的放热使体系能达到的最高温
度，是描述SHS反应特征的最重要的热力学参数。它
不仅可以作为判断燃烧反应能否自我维持的定性依
据，即判断体系能否发生反应，反应的趋势，反应发生后能否自我维持，以及反应的放热能否使产物熔化或汽化等，而且还可以对燃烧反应产物的状态进行预测，并可为反应体系的成分设计提供依据。
2）TiAl自蔓延高温连接中间层成分设计
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∑∫∫为了保证实现SHS过程，体系的绝热燃烧温度至少应高于1800K，同时由于要保证在连接过程中不出现气相，所以体系的绝热燃烧温度不应该超过Al元素的沸点。
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
影响SHS连接的工艺参数非常多，包括
反应原料的组成、反应原料的粒度及其分布、原坯相对密度，焊接过程中的加热方式和速率，
反应的点燃温度和燃烧温度，
燃烧波的传播模式，
焊料层的厚度，
加压的大小和时间，
母材的温度和表面处理状态，
反应气氛、反应产物的均匀化过程等。
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
（1）中间层成分的影响
中间层的致密程度存在很大的差异，这是由于反应产物的不同而决定的。对于Ti-Al-X三元反应体系，生成的产物可能有多种形式，这些产物的晶粒尺寸大小及其排列状态不同就会引起中间层致密程度不同。
若反应后仍有一定量的元素残余，则这些过量元素可作为稀释剂，这样也可提高反应产物的致密程度。
利用SHS制备梯度中间层要注意的几个问题。
a）如采用成分呈阶梯变化的材料作为焊料，则每一层原料的SHS 产物的热膨胀系数相差不能超过15％，这样才能达到缓解焊接应力的目的。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
（1）中间层成分的影响
b）常把梯度中间层焊料加热到最低的反应激发温度，利用其放出的热量去点燃其余焊料的SHS反应。
梯度中间层的SHS燃烧波将以蔓延的方式向前传播，使产物的密度下降。因此常常需要延长保温时间和提高焊接压力，使焊料的反应进行完全并提高产物的密度。
c）梯度中间层焊料的配制应以能与陶瓷发生界面反应为基本出发点，关键在于与陶瓷相邻的焊料层的选择，通常都应包括有活性元素，如钛、镍、铝等。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
（2）预制坯压力的影响
预制坯的相对密度直接关系到反应物颗粒之间的接触面积和热迁移反应区的热传导。
它对燃烧合成反应的影响是两方面的。
密度低就意味着反应物之间的接触面积就小，这样就会产生较低的燃烧温度和速度
增加密度意味着反应物颗粒之间的接触面积增加，势必会提高燃烧温度和速度，当密度增加到一定值时，反应物燃烧波的热迁移速度加快，燃烧波前沿的热量迅速并大量地传到预热区和未反应区，这势必会降低燃烧波传播的速度和温度，当热传导达到一定值时甚至会使燃烧波熄灭。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
（3）连接压力的影响
连接压力是对SHS连接影响较大的一个工艺参数。若连接压力过小，会生成疏松多孔的反应产物；而若连接压力过大，则会抑制SHS反应的发生从而使燃烧波熄灭，同时还会影响到母材的性能。
在一定范围内连接压力的增大有助于使连接界面的接合紧密，从而使界面处的元素扩散及元素反应发生的更加充分，这对提高连接质量存在明显的效果。
TiAl和TiB2金属陶瓷自蔓延高温合成连接
3）工艺参数对TiAl自蔓延高温连接接头的影响
（4）后热处理温度的影响
后热处理温度是指加热整个样品所达到的温度。
由于SHS过程是一个高度不平衡的过程，所以SHS反应产生的组织非常不均匀，而且SHS反应是在瞬间完成的，所以界面处发生的反应及元素的扩散都非常不充分。
后热处理主要是为了通过适当温度的高温保温，使通过SHS 反应产生的组织均匀化，并且使连接界面处的元素扩散、反应进行的更加充分，从而提高连接接头的性能。
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TiC cermet TiAl
Interlayer TiAl/TiC 金属陶瓷连接接头界面结构
Ti-Al-C-Ni粉末压坯自蔓延燃烧过程
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反应产物组织形貌