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先进钎焊技术与应用 
定 价：168 元 丛书名：国际制造业先进技术译丛
9 7 6 8 0 7 6 1 5 1 2 1 9 
本书为钎焊领域的先进技术资料，内容涵盖钎焊理论基础和工程应用技术，具有重要的实际指导意义。书中荟萃巴顿焊接研究所的Khorunov院士团队、德国多特蒙德工业大学Tillmann教授团队、发过格勒诺布尔研究所Eustathopoulos的研究成果。
硬钎焊是一种通过使用 450℃ 以上的温度来影响钎料或镀层金属的相变过程以
实现同种或异种材料之间的连接的焊接技术, 该技术能够较好地保持被焊母材的完 整性。 按照这种命名方式, 软钎焊则被定义为使用 450℃ 以下的温度来实现相似连 接的工艺。 事实上, 这两种连接方式所涉及的物理和化学过程是极为相似的。 两者 最主要的区别是钎料的选择, 选择不同的钎料会在加热、 焊接、 冷却过程中导致不 同的现象。 钎焊在开始并不是作为一门科学, 而是作为一门技术, 也就是说, 钎焊是通过 实践和经验总结出来的学问和技艺。 因此, 钎焊技术是人类最古老的技术之一, 其 源头可追溯到人类文明的开端。 正如苏美尔文明的大量遗址中所记录的那样, 在公 元前 3000 多年前, 人类已经了解了一些金属的钎焊技术。 相关的技术随后传播到 埃及, 之后到达中国和其他国家。 随着现代实验技术的出现, 相关的工艺过程已经 达到非常高的水平。 这可能在很大程度上得益于精密的实验仪器, 如扫描电子显微 镜、 原子力显微镜、 X 射线衍射分析仪等的使用。 这些实验技术也得到了数值模拟 工具开发的辅助, 例如, 超级计算机实现了相-场方法模拟。 但是, 钎焊科学是在 不断发展的, 所以钎焊科学与钎焊技术之间适当的联系仍然有待于探索。 本书旨在帮助渴望了解钎焊科学的钎焊领域的专业学者, 使其不仅能够更加充 分地理解钎焊过程的现象, 而且能够熟悉该科学技术的发展和工业应用的实施。 在钎焊领域的技术文献中, 虽然已有一些备受推崇和传播广泛的专题著作和手 册 (主要侧重于技术而对前沿方向的基本问题不够重视) , 但这些著作和手册都未 能从钎焊母材和钎料体系的冶金行为、 钎焊工艺优化, 以及钎焊结构力学、 热学和 腐蚀行为等方面深入阐述各种技术问题。 本书旨在通过提供对大量前沿钎焊主题进 行深度研究的文献资料来填补这一空白。 由多个或一个作者组成的十九个团队接受 了主编的邀请, 在选定的领域编写相关章节, 作者可以按照自己的意愿编写相关 主题。 除了提到的主要目的编写钎焊领域的一本技术资料书籍, 另一个动机是规 范其内容。 受邀作者来自不同国家, 代表了钎焊领域最负盛名的世界级组织机构, 包括国家实验室、 机构、 学术组织, 以及工业企业的研发中心, 同时也邀请了焊接 领域的其他专家学者。 就研究 / 技术的重点而言, 研发的力度和兴趣、 产业的需求、 技术的进步, 以及产业与研究机构的相互交流等情况都显著不同。 例如, 来自亚 洲、 欧洲或美洲的作者团队可能为未来进一步的研究提供更加多样化的资源, 从而 提供给其他研究中心的专业人士特有的机会, 可以用更宽广和更深入的视角了解相 关的信息。 此外, 来自不同研究中心的研究人员必将沿着侧重点不同但却相同或相 似的当今热点主题方向开展研究。 显而易见, 不同主题的研究方法很难在某一位作 者的论文或手册中概括和体现出来, 因为通常需要提出权威的观点, 并提供标准的 研究方法。 本书分成三个部分: ①钎焊基础 ( 第 1 ~ 3 章) ; ②钎焊工艺 ( 第 4 ~ 13 章) ; ③钎焊和钎焊材料应用 (第 14 ~ 19 章) 。 显然, 每个章节都包含这三个方面, 因为 在死板的框架中构建内容是没有任何意义的, 因此, 本书结构和内容的阐释将会是 丰富多样的。 第一部分中的第 1 章由法国格勒诺布尔理工学院材料工艺科学与工程实验室的 Eustathopoulos 博士、 Hodaj 教授和 Kozlova 博士编写, 其中的润湿与黏附的基本概念 中包含了对不同类型的固体润湿的解释, 这些固体包括金属、 非共价陶瓷和碳基陶 瓷等, 讨论了钎焊过程中非反应性和反应性体系润湿和铺展过程的热力学问题。 在 第 2 章中, 美国航空航天局戈达德太空飞行中心的 Flom 博士提出了一种对钎焊结 构的失效分析方法, 这种有限元分析的工程方法基于 Tresca 和 Von Mises 提出的最 大切应力屈服准则。 随后, 介绍了用于评估钎焊接头安全性的相互作用方程和 Coulomb-Mohr 失效准则。 在第 3 章中, 由来自美国肯塔基州列克星敦市肯塔基大学的 Sekulic教授讨论了钎焊过程建模。 该章对钎焊过程中的热循环建模、 钎焊结构中热 应力行为的建模, 以及微观尺度下的现象 (包括固态扩散、 覆层 / 钎料熔化和毛细 作用驱动的铺展, 以及钎焊过程中的凝固过程等) 的建模方法都进行了总结。 第二部分的首章, 即第 4 章是由来自乌克兰基辅巴顿焊接研究所的 Khorunov 院 士和 Maksymova 博 士 领 导 的 团 队 编 写 的, 内 容 包 括 钎 焊 高 温 合 金 用 无 硼 钎 料 和 -TiAl基金属间化合物钎焊用无铜钎料。 其中, 高镍基和 Ti-Al 基金属间化合物是耐 热材料很好的例子。 该章还讨论了发生在 Ni-Cr-Zr 系合金中的结构转变, 而且列出 了 Ti-Zr-Fe、 Ti-Zr-Mn 系合金的熔点范围、 浓度范围、 结构特征和力学性能。 论述 了用于钎焊陶瓷切削材料的活性钎料合金的应用。 在第 5 章中, 美国 Metglas 公司 的 Rabinkin 博士对高温钎焊提出了全面、 系统的论述, 并着重强调了钎料和钎焊工 艺。 对现有的钎料种类以及含磷的 Ni / Fe / Cr 基新型共晶合金钎料进行了概述。 对 添加 Ge 或 Zr / Hf / Cr 的镍基合金钎料也进行了论述。 该章详细地讨论了钢和合金钎 焊的显微组织、 性能和最佳钎焊工艺。 Rabinkin 博士带领的另一支团队, 包括美国 俄亥俄州钛 钎 焊 公 司 的 Shapiro 博 士 和 来 自 于 列 支 敦 士 登 Listemann AG 公 司 的 Boretius 博士, 编写了第 6 章。 首先, 重点解释了金刚石与立方氮化硼界面反应的 本质, 其次是金刚石在钎焊和退火过程中的石墨化问题, 以及金属在金刚石和立方 氮化硼上的润湿问题, 最后探讨了钎焊工艺过程。 中国哈尔滨工业大学的何鹏教授 编写了本书的第 7 章和第 8 章, 每章讲述一个主题: 第 7 章为氧化物、 碳化物、 氮 化物陶瓷及陶瓷基复合材料的钎焊; 第 8 章为镍-铝、 铁-铝和钛-铝金属间化合物的 钎焊。 第 7 章属于讲述陶瓷钎焊这一重要领域的一系列章节的一部分。 陶瓷难以连 接, 钎焊被认为是少数可以有效连接陶瓷的技术。 该章对陶瓷钎焊的每一个难点都 提出了深入的思考。 第 8 章研究了金属间化合物材料, 如 Ni-Al、 Fe-Al 和 Ti-Al 等 的连接存在的问题, 同时对每个体系的金属间化合物的物理性能进行了描述, 其次 是钎焊方法的介绍。 之后的第 9 章和第 10 章涵盖了铝钎焊的研究, 分别由乌克兰 基辅巴顿焊接研究所的 Khorunov 院士、 Sabadash 博士, 以 及 美 国 厄 巴 纳 Creative Thermal Solutions 公司的赵博士和美国普莱森顿的 Woods 博士撰写。 第 9 章是关于 主要依靠活性钎剂的铝及铝合金和钢的钎焊。 在第 10 章中, 赵博士和 Woods 博士 详细论述了大量使用氟铝酸钾钎剂在可控气氛环境下钎焊铝的研究。 美国俄亥俄州 威斯康星大学斯陶特分校的 Asthana 教授和美国克利夫兰的美国航空航天局格伦研 究中心俄亥俄州航空航天研究所的 Singh 博士撰写的第 11 章中提到了使用活性金属 钎料钎焊陶瓷基复合材料和金属。 面对苛刻的使用要求, 先进的陶瓷基复合材料表 现出了巨大的潜力, 但其组件的连接非常具有挑战性。 该章对润湿和熔融金属渗透 的问题进行了讨论。 随后对 SiC-SiC、 C-SiC、 C-C 和 ZrB2 基超高温陶瓷、 氧化物、 氮化物和硅基复合材料的钎焊进行了综述, 并对界面的微观结构、 力学和物理性能 进行了详细的讨论。 金属与陶瓷钎焊主题的最后一章 ( 第 12 章) 由 Hausner 博士 和德国开姆尼茨工业大学材料科学与工程学院的 Wielage 教授编写。 作者着重介绍 了金属-陶瓷钎焊技术的现状。 对于选择的材料系统的组合, 提供了更详细的微观 结构和力学性能。 该章提供了陶瓷性能、 标准钎焊工艺、 金属化陶瓷钎焊、 活性钎 焊以及金属-陶瓷钎焊接头的力学性能信息, 讨论了若干钎焊实例。 本部分的最后 一章 即 第 13 章 专 门 介 绍 了 金 属 和 C / C 复 合 材 料 的 钎 焊。 日 本 东 京 工 业 大 学 的 Ikeshoji 博士首先介绍了 C / C 复合材料的性能, 其次讨论了钎料的规格和推荐的钎 料, 最后探讨了钎焊工艺过程。 第三部分是钎焊和钎焊材料应用。 第 14 章由德国多特蒙德工业大学材料工程 学院 Tillmann 教授领衔的团队编写, 团队成员还有 Elrefaey 博士和 Wojarski 博士。 作者讨论了硬质合金 ( 碳化钨和金属黏结剂) 和高性能陶瓷与结构钢等基体的钎 焊, 用于制作切削工具; 深入讨论了用于钎焊这种体系材料制作的切削工具的钎 料。 在第 15 章中, 来自于德国埃斯林根 Innobraze 公司的 Krappitz 博士, 对钎涂这 种有趣的钎焊应用过程进行了讨论。 通过这种技术可以在恶劣环境中工作的组件上 制备功能涂层, 钎涂的应用包括表面修复、 磨损保护, 以及防止腐蚀和氧化。 在第 16 章中, 美国新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的 C. A Walker 论述了金属- 非金属钎焊在电子包装和电子元件结构上的应用。 他强调, 金属-非金属钎焊技术 经受住了时间的考验, 而且已证明该连接方法可用于制造高压、 大电流设备和电力 行业的绝缘子, 为今天的材料工程师或设计师提供了利用最新工程材料特殊性能的 机会。 该章开篇列举了诸多功能性需求, 并进一步讨论了如何选择钎焊工艺 (包括 钎料和基体) 和进行夹具的设计。 紧接着又论述了材料表面金属化的方法。 结尾部 分总结了钎焊方法和性能测试方法。 在第 17 章中, 意大利都灵理工大学材料科学 与化学工程系的团队考虑将玻璃和玻璃-陶瓷钎料用于固体氧化物燃料电池的密封 材料, 以 及 用 作 碳 化 硅 基 材 料 的 钎 料。 这 个 团 队 由 Salvo 教 授 领 导, 成 员 有 V. Casalegno 博士、 S. Rizzo、 Smeacetto 教授、 A. Ventrella 和 Ferraris 教授。 第一项应 用是用作平面固体氧化物燃料电池的密封材料, 这种材料要求在潮湿的环境中和在 800℃ 环境使用时都保持热力学和热化学性能的稳定。 第二项应用涉及核 ( 核聚变 和核裂变) 设备中玻璃-陶瓷材料在碳化硅基材料钎焊中的应用和高温应用。 钎焊 的另外一个重要应用包括民用领域 (如饮用水或食品工业) 使用的金属材料钎焊的 镍基钎料。 在第 18 章中, 德国开姆尼茨工业大学的 Wielage 教授和 Hoyer 博士对镍 基材料列入无害材料名单的可能性做
写给中国读者的话
译者序 前言 第一部分 钎 焊 基 础 第 1 章 钎焊中的润湿过程 ……………………………………………………………………… 1 1. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 1 1. 2 液态金属和氧化物对固体母材的润湿 ……………………………………………… 2 1. 2. 1 非反应润湿 ……………………………………………………………………………… 2 1. 2. 2 反应润湿 ………………………………………………………………………………… 5 1. 3 润湿与钎焊: 总则 ……………………………………………………………………… 6 1. 3. 1 毛细钎焊 ………………………………………………………………………………… 6 1. 3. 2 夹层钎焊 ………………………………………………………………………………… 9 1. 4 非反应性钎料及反应性钎料钎焊金属和陶瓷 …………………………………… 12 1. 4. 1 CuAg 共晶钎料在不锈钢上的润湿 …………………………………………………… 12 1. 4. 2 熔融金属和熔融硅化物在 SiC 上的润湿 ……………………………………………… 14 1. 4. 3 反应性 CuAgTi 合金在氧化铝陶瓷上的润湿 ………………………………………… 16 1. 5 结论 ………………………………………………………………………………………… 18 1. 6 参考文献 ………………………………………………………………………………… 19 第 2 章 钎焊接头强度和安全裕度 …………………………………………………………… 21 2. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 21 2. 2 钎焊接头分析常用失效准则的适用性……………………………………………… 22 2. 2. 1 最大正应力准则 ………………………………………………………………………… 22 2. 2. 2 最大切应力和八面体应力准则 ………………………………………………………… 22 2. 2. 3 交互作用方程 …………………………………………………………………………… 24 2. 2. 4 Coulomb-Mohr 失效准则 ………………………………………………………………… 27 2. 2. 5 适用性评估 ( FFS) 方法 ……………………………………………………………… 27 2. 3 发展失效评定图 ( FADs) 的另一种方法 ………………………………………… 28 2. 4 总结 ………………………………………………………………………………………… 35 2. 5 致谢 ………………………………………………………………………………………… 35 2. 6 参考文献 ………………………………………………………………………………… 35 第 3 章 钎焊过程中系列现象的模拟………………………………………………………… 38 3. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 38 3. 2 钎焊系统模拟 …………………………………………………………………………… 39 3. 2. 1 加热区模拟 ……………………………………………………………………………… 41 3. 2. 2 连续钎焊炉模拟 ………………………………………………………………………… 42 3. 3 钎焊结构残余应力的有限元分析 …………………………………………………… 43 3. 4 微观尺度的钎焊现象模拟 …………………………………………………………… 47 3. 4. 1 接头形成模拟 …………………………………………………………………………… 48 3. 4. 2 表面张力驱动流动的模拟 ……………………………………………………………… 49 3. 4. 3 接头凝固的模拟 ………………………………………………………………………… 51 3. 5 总结 ………………………………………………………………………………………… 53 3. 6 参考文献 ………………………………………………………………………………… 53 第二部分 钎 焊 材 料 第 4 章 高温合金及金属间化合物合金 (-TiAl) 的钎焊 …………………………… 60 4. 1 引言 ………………………………………………………………………………………… 60 4. 2 镍基高温合金的钎焊 …………………………………………………………………… 61 4. 2. 1 高温合金的焊接性 ……………………………………………………………………… 61 4. 2. 2 常规钎焊技术 …………………………………………………………………………… 61 4. 2. 3 高温合金钎焊技术的创新 ……………………………………………………………… 62 4. 3 钛铝金属间化合物的钎焊 …………………………………………………………… 69 4. 3. 1 钎料 ……………………………………………………………………………………… 70 4. 3. 2 钎焊温度和保温时间 …………………………………………………………………… 74 4. 4 结论 ………………………………………………………………………………………… 80 4. 5 发展趋势 …………………………………………………………………………
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