D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.011 第25卷第1期 北京科技大学学报 Vol.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 热等静压扩散连接反应层元素互扩散的 动力学模拟计算 董建新何冬 张麦仓曾燕屏 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过DICTRA-THERMO-CALC动力学和热力学联合计算软件对DD402单晶和Rene 95粉末高温合金进行热等静压扩散连接反应层元素互扩散规律的模拟计算.计算结果表明， 此种模拟计算方法可以较好地反应扩散偶中元素的互扩散规律，与实验结果基本吻合.在此 基础上，分析计算了温度和时间对扩散连接过程中A!元素互扩散规律的影响.最终得出此种 模拟计算方法可以为热等静压扩散连接工艺的制定和优化提供较好的理论依据.， 关键词高温合金；DD4o2;Rene95;模拟计算 分类号TG453.9 扩散连接是一种新型的焊接工艺，对于通常 象，通过扩散动力学的模拟计算，对这两种不同 难于焊接的金属以及不同种类的材料之间进行 的高温合金在热等静压扩散连接过程中其反应 固态结合具有很大的适用价值.由于高温合金的 层的元素互扩散规律进行模拟计算，以期判定模 合金系十分复杂，除了作为基体的元素Ni和Co 拟计算的可行性和可预报性，为热等静压扩散连 (也有Fe基耐热合金)外，还含有大量的强化元 接的T艺预报和最佳工艺的制定提供理论指导， 素，如Co,Cr,Mo,W,Al,Ti,Nb,Ta,V及B,Z,Re 等，给连接带来了极大的困难仰.热等静压扩散连 1实验与模拟方法 接是在低于连接金属的熔点温度下对连接材料 原子间的互扩散是实现连接的基础.异种材 施加一定的压力，以使连接界面产生必要的塑性 料扩散连接时，界面两侧存在着某些元素的浓度 变形，当连接表面达到原子间结合力起作用的距 梯度.当体系内存在有某种物质的浓度差时，该 离时在结合面两侧将会出现原子的互扩散，固态 物质将从体系的高浓度区向低浓度区自发的迁 的金属材料便会冶金结合成为一个整体其 移，并最终趋于均匀化.接头元素扩散与反应层 中，高压使连接界面尽可能紧密而充分地接触， 形成机理是指原子在接头界面处的传输、界面结 高温使原子的扩散激活能降低，增加了晶格中原 构的形成条件和形成过程，主要涉及反应热力学 子的活性及迁移率.一定的保温时间可使原子的 和反应动力学等内容 互扩散能够充分进行，以使结合界面的性能达到 DICTRA是一个模拟多元系统中扩散控制转 技术要求.在热等静压扩散连接的过程中，原子 变的软件包，该程序基于在材料不同区域内对多 的扩散过程也即是金属键的形成过程，因此是决 元扩散方程的数值解，并假定各相界面上都满足 定结合界面组织、性能的关键 热力学平衡，如果能给出必要的热动力学和动力 采用热等静压扩散连接单晶高温合金与粉 学数据就可以对多组元的合金系进行模拟计算. 末高温合金制造涡轮转子的工艺仍处于研究阶 而THERMO-CALC热力学计算软件可以提供有 段，本文采用DCITRA动力学模拟计算软件，以 关的相平衡的热力学数据，它通过利用系统中各 DD402单晶与Rene95粉末高温合金作为研究对 相的热力学特征函数，建立热力学模型，将相图 收稿日期2001-12-25董建新男，36岁，副教授，博士 和各种热力学数据联系起来，从而计算出系统中第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 匕 热等静压 扩 散连 接 反 应 层 元 素互 扩 散 的 动 力 学模 拟计 算 董建新 何 冬 张 麦 仓 曾燕屏 北 京科技大学材料科学 与工 程学院 ， 北京 摘 要 通 过 一 毛 动 力学 和 热力学 联合计算软件对 单 晶和 粉末高温合金进行热等静压扩散连接反 应 层 元素互扩散规律 的模拟计算 计算结 果 表 明 ， 此 种模拟计算方法可 以 较好地反 应 扩散偶 中元素的互 扩散规律 ， 与实验结果 基本吻合 在此 基础 上 ， 分析计算 了温度 和 时间对扩散连接过程 中 元素互扩散规律 的影 响 最终得 出此种 模拟计算方法 可 以 为热等静压扩散连接 工 艺 的制定和优化提供较好 的理论依据 关 键词 高温合金 模拟计算 分 类号 扩散连 接 是一 种新 型 的焊接 工 艺 ， 对 于通 常 难 于 焊接 的金 属 以及 不 同种类 的材 料 之 间进 行 固态 结合具有很 大 的适用 价值 由于 高温合金 的 合金 系十分复杂 ， 除 了作为基体 的元素 和 也有 基耐 热合金 外 ， 还 含有 大量 的强 化元 素 ， 如 ， ， ， ， ， ， ， ， 及 ， ， 等 ， 给连接带来 了极 大的 困难 日 热等静压扩散连 接 是 在低 于 连 接金 属 的熔 点 温 度下 对 连 接 材 料 施加一 定 的压 力 ， 以 使连接界 面产 生必要 的塑性 变形 ， 当连接 表面达 到原 子 间结合力起作用 的距 离时在结合面两侧将会 出现原 子 的互扩散 ， 固态 的金 属 材料便 会冶 金 结合 成 为一 个整 体 侧 其 中 ， 高压 使连 接 界 面 尽 可 能 紧密 而 充 分地 接 触 ， 高温使原 子 的扩散激 活能 降低 ， 增加 了 晶格 中原 子 的活性及迁移率一定 的保温时 间可使原子 的 互 扩散能够充分进 行 ， 以 使结合界 面 的性 能达 到 技术要求 在热等静压 扩散连 接 的过 程 中 ， 原 子 的扩散过程 也 即是金 属键 的形成过程 ， 因此是决 定结合界 面组 织 、 性 能 的关键 采用 热等静 压 扩散连 接单 晶高温 合金 与粉 末 高温合 金 制造 涡 轮 转 子 的工 艺 仍处 于 研 究 阶 段 ， 本 文采 用 动 力学模拟计算软件 ， 以 单 晶与 粉末 高温 合金作为 研究对 象 ， 通 过 扩 散 动力 学 的模 拟计算 ， 对这 两种 不 同 的 高温 合 金 在 热 等静 压 扩 散 连 接 过 程 中其 反 应 层 的元素互 扩散规律进行模拟计算 ， 以期 判定 模 拟 计算 的可 行性 和可 预 报性 ， 为热等静压 扩散 连 接 的工艺 预 报 和最佳工艺 的制 定提供理论指 导 收稿 日期 一 一 董建新 男 ， 岁 ， 副教授 ， 博士 实 验与模拟 方 法 原子 间 的互 扩散是实现 连 接 的基 础 异种 材 料扩散连接时 ， 界 面两侧存在着某些 元素 的浓 度 梯 度 当体系 内存在 有 某种 物质 的浓 度 差 时 ， 该 物 质将 从 体 系 的 高浓 度 区 向低 浓 度 区 自发 的迁 移 ， 并 最 终 趋 于均 匀化 接头 元 素扩散 与反 应 层 形成机理是 指原 子在 接头 界 面处 的传输 、 界 面结 构 的形成条件 和形 成 过程 ， 主要 涉及反 应 热力 学 和反 应 动力学 等内容队 是 一个模拟 多元 系统 中扩散控 制转 变 的软件包 ， 该程序基 于在 材料不 同 区 域 内对 多 元扩散方程 的数值解 ， 并假 定各相 界 面上 都满足 热力 学平衡 ， 如果 能给出必要 的热 动力学 和动 力 学数据 就可 以 对 多组元 的合金 系进行模拟计算 而 一 热力 学计算软件 可 以 提供有 关 的相平衡 的热力学数据 ， 它 通 过利 用 系统中各 相 的热力学 特征 函数 ， 建立 热力学 模 型 ， 将相 图 和 各种热力学数据联 系起来 ， 从而计算 出系统 中 DOI ：10．13374／j ．issn1001－53x．2003．01．011