固態(tài)接頭在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用

季小英　季國炎　季國堯　楊華東

摘 要：本文探索了兩種形式的管狀固態(tài)連接，用于化學(xué)工業(yè)。擠出粘合包括將一種材料的內(nèi)部無縫管擴(kuò)散到另一種材料的外部無縫管上。慣性焊接包括旋轉(zhuǎn)一個管，同時將第二個固定管壓入第一個。在這兩種情況下，可以產(chǎn)生非常強(qiáng)大和堅固的冶金結(jié)合。 本文探討了這種冶金鍵的測試和性能。

關(guān)鍵詞：固態(tài)接頭；化學(xué)工業(yè)；應(yīng)用

1 引言

要求苛刻的應(yīng)用通常需要高度專業(yè)化的材料性能。有時，這意味著必須在單個組件中使用兩種不同材料的組合。在金屬的這種情況下，兩種材料之間的接合必須是機(jī)械的和冶金的。當(dāng)金屬相似時，傳統(tǒng)的熔焊是可能的。然而，這種接頭的焊縫金屬具有不同的母體金屬的濃度。混合隨機(jī)發(fā)生，在池內(nèi)，任何一個位置都可以是母體金屬的濃度的組合，每個母體具有不同的物理，機(jī)械和腐蝕性質(zhì)。此外，由于缺乏溶解性和金屬間化合物的形成，許多材料組合是不可能的。對于這些情況，固態(tài)接頭可以是可行的替代方案。固態(tài)焊接已經(jīng)實施了一段時間。這里探索了兩種形式的管狀固態(tài)連接，用于化學(xué)工業(yè)和其他應(yīng)用。擠出粘合包括將一種材料的內(nèi)部無縫管擴(kuò)散到另一種材料的外部無縫管。慣性焊接包括旋轉(zhuǎn)一個管，同時將第二個固定管壓入第一個。在這兩種情況下，都可能產(chǎn)生非常強(qiáng)大和堅固的冶金結(jié)合。本文探討了這種冶金鍵的測試和性能。

2 傳統(tǒng)加工

兩種不同金屬的連接是一個非常簡單的概念，在廣泛的應(yīng)用中是必需的?；瘜W(xué)工業(yè)工程當(dāng)然也不例外，其中腐蝕性和熱和機(jī)械要求苛刻的條件需要不同的材料相互連接。然而，在實踐中，這可能非常復(fù)雜，有許多配置，選項和方法可用，并為每個的權(quán)衡。化工廠通常采用侵蝕性過程，需要仔細(xì)選擇施工材料。最簡單的情況是在整個過程中可以經(jīng)濟(jì)地使用單一組合物或合金。然而，在整個過程中，環(huán)境條件可能不均勻。某些部件可能經(jīng)受高腐蝕性的化學(xué)品，只有非常耐腐蝕的材料才能工作。同樣，具有高溫和機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域也可能需要具有不同特性的材料。工廠設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是將工廠的組件與其特性與工藝所施加的局部條件兼容的材料配合在一起。在某些情況下，特定組件可能具有沒有單一材料可以滿足的參數(shù)。在這些情況下，可能需要使用連接在一起的材料的組合，以便利用其復(fù)合性質(zhì)。

3 固態(tài)結(jié)合技術(shù)

固態(tài)連接包括廣泛的技術(shù)和方法，其中要連接的材料不能實現(xiàn)液體狀態(tài)，并且不涉及釬焊。在高溫下與高壓結(jié)合的塑性變形通常是形成兩種金屬之間的結(jié)合所必需的。摩擦焊接和輥粘結(jié)是兩種眾所周知的固相接合方法。最近對兩種其他固態(tài)接合技術(shù)在化學(xué)加工應(yīng)用中適用于連接異種金屬的方法進(jìn)行了研究。擠出粘合需要兩種不同金屬的共擠出，一種在另一種內(nèi)部，其中來自擠出工藝的熱和壓力誘導(dǎo)在兩層之間形成擴(kuò)散結(jié)合，導(dǎo)致管內(nèi)管。因此，兩層管道粘結(jié)在一起。本文檢測的第二種方法是慣性焊接。慣性焊接是摩擦焊接的一個變體，需要以高速相對于另一個相互旋轉(zhuǎn)，然后將它們壓在一起。摩擦加熱和軸向壓力導(dǎo)致兩個部件結(jié)合，導(dǎo)致從一種材料到另一種材料的過渡接頭。這項工作的主要重點是這兩種固相接合方法及其在鋯（Zr702）和鈦3級組合中的應(yīng)用。擠出產(chǎn)生無縫管，由具有導(dǎo)向孔的圓柱形坯料開始。將鋼坯充分加熱以在壓力下流動。然后通過減小直徑的模具擠出，同時增加長度。為了擠出粘合，將內(nèi)部管狀襯墊材料插入坯料中的擴(kuò)大的孔中。在插入之前，需要準(zhǔn)備外部鋼坯和襯套的配合表面以實現(xiàn)金屬之間的最佳粘合條件。然后將層之間的環(huán)形空間抽真空并密封，以防止加熱期間的氧化。在實際的擠出過程中，現(xiàn)在處于升高的溫度和緊密接觸的兩種材料相互擴(kuò)散以形成冶金結(jié)合。由于這是在固體狀態(tài)下發(fā)生的，并且由于在擠出之后溫度相當(dāng)快地下降，所以擴(kuò)散區(qū)相對較窄。在擠出之后，將管冷卻兩次以將直徑和壁厚度減小至所需尺寸。進(jìn)行許多試驗以表征所得粘結(jié)和復(fù)合管。通常，復(fù)合材料的性質(zhì)介于兩種組分之間[3]。由于非常小的擴(kuò)散區(qū)，任何可能會改變復(fù)合材料性質(zhì)的合金化都是最小的。

4 INERTIA焊接處理

慣性焊接的過程導(dǎo)致兩片管連接在一起。一件靜止地固定在一起，而第二件則以高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時，驅(qū)動器被分離并且兩個部件被壓在一起。旋轉(zhuǎn)慣性轉(zhuǎn)換為摩擦加熱，導(dǎo)致界面處的材料變得塑性并流出接頭。在使用前必須從外徑和內(nèi)徑中除去從接頭流出的閃光。由于接頭在低于熔點的溫度下形成，所以實際上不存在合金化，并且接合鏡的性質(zhì)與各母體金屬的性質(zhì)相關(guān)。粘結(jié)區(qū)的較高放大率顯示在界面處金屬的機(jī)械混合渦流。由于該過程非常短暫的時間，部件的加熱非常有限并且局部化。接頭的熱影響區(qū)域小于熔接時，僅由旋轉(zhuǎn)停止時在接頭內(nèi)受塑性變形的材料構(gòu)成。與擠出粘合一樣，發(fā)生非常少的合金化，并且接頭的性質(zhì)代表母體金屬。 類似于擠壓接合接頭，在鋯或鈦上似乎沒有任何類型的電流侵蝕。 還進(jìn)行了機(jī)械測試。 在拉伸載荷下，不是在接頭處發(fā)生故障，而是在較弱材料的鋯的量規(guī)部分。還進(jìn)行彎曲試驗以檢查所得接頭的延展性。

5 結(jié)語

擠出粘合和慣性焊接都顯示出在化學(xué)工業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用前景，需要優(yōu)化設(shè)備材料的選擇。 固態(tài)鍵合防止不兼容材料的混合和合金化。在擠出粘合的情況下，共擠出管已經(jīng)被商品化為OmegaBond TM管，并且目前作為尿素剝離器的管材出售。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊屹.化學(xué)工業(yè)布局與中國城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究[D].華東師范大學(xué)，2006.

[2]謝永慧. TD3合金固態(tài)擴(kuò)散連接接頭的組織和性能研究[A]. 中國材料研究學(xué)會.2004年中國材料研討會論文摘要集[C].中國材料研究學(xué)會，2004：1.