[科普中国]-扩散焊接

简介

近年来随着材料科学的发展，新材料不断涌现，在生产应用中，经常遇到新材料本身或与其它材料的连接问题。如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金等，用传统的熔焊方法，很难实现可靠的连接。而一些特殊的高性能构件的制造，往往需要把性能差别较大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、金属与玻璃等连接在一起，这用传统的熔焊方法也难以实现。为了适应这种要求，近年来作为固相焊接方法之一的扩散焊接技术引起了人们的重视，成为焊接领域的研究热点，正在飞速发展。这种技术已广泛应用于异种材料的焊接，其中，异种金属，陶瓷/ 金属异种材料焊接构件在航空航天领域具有广泛的应用前景1。

扩散焊接的原理扩散焊接是压焊的一种，它是指在相互接触的表面，在高温压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接的过程。扩散焊接过程大致可分为3 个阶段，第1 阶段为物理接触阶段，被连接表面在压力和温度作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大最终达到整个面的可靠接触;第2 阶段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层;第3 阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠连接接头。

当然，这3 个过程并不是截然分开的，而是相互交叉进行，最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程形成固态冶金结合，它可以生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠连接。焊接参数的选择就是要控制这些因素，最终得到综合性能良好的接头，不但考虑扩散形成原子间的相互作用，同时应考虑界面生成物的性质。

扩散焊接的参数主要有:温度、压力、时间、气体介质、表面状态和中间层的选择等。其中最主要的是温度、压力、时间。温度影响被焊材料的屈服强度和原子的扩散行为，对消除空隙起着决定性作用，扩散温度的经验公式为T = (0. 6～0. 8) Tm ，其中Tm 为被焊零件材料中的最低熔点。

压力仅在焊接的第1 阶段中是必要条件，加压的目的是使连接处微观凸起部分产生塑性变形，使之达到紧密接触状态，并提供变形能为原子扩散创造条件。所选压力通常保持在稍低于所选温度下的屈服应力，一般为3～10MPa 。形成接头所需保温时间与接头的组织和成分的均匀化密切相关，主要取决于连接材料的冶金特性及焊接时的温度和压力，一般需几分钟到几个小时。

近几年兴起的放电等离子烧结技术( SparkPlasma Sintering ，简称SPS) ，具有低温、快速、组织均匀的特点，已引起国外(尤其是日本) 材料科学与工程界的极大兴趣。SPS 系统除成功地应用于梯度功能材料(FGM) 、金属基复合材料(MMC) 、纤维增强复合材料( FRC) 、多孔材料、高致密度、细晶粒特种新材料的制备和硬质合金的烧结外，在多层金属粉末的同步焊接、金属粉末的焊接以及固体- 粉末- 固体的焊接等方面也已有广泛的应用。日本的深谷保博等人采用SPS 技术扩散焊接Al2O3 陶瓷和SUS304 不锈钢， 有限元方法(FEM) 弹塑性分析表明:脉冲大电流加热连接有助于缓和Al2O3 中的残余应力2。

扩散焊接的特点扩散焊接不会引起零件的宏观变形、熔化或零件的相对移动。在2 个配合表面之间可用或不用扩散辅助材料(即中间层材料) ，主要有以下几个特点:

(1) 可直接连接同种金属和非金属，并形成固态连接接头。连接同种金属时，可获得与基体金属相同或接近的接头强度。特别适合通常用熔焊易产生裂纹的材料(如Ni 基高温合金和硬Al 等)的连接；

(2) 可有效连接异类材料，例如Cu 与Al 、Al 与不锈钢、陶瓷与可伐合金、石墨与耐热钢、B/Al 复合材料与Ti 合金等。特别适用于零件厚度相差大的异种铸铁件、锻件、粉末冶金件之间的连接。在扩散焊接技术研究与实际应用中，有70 %涉及到异种材料的连接；

(3) 可用于需要大面积结合的零部件、层叠构件、中空型构件、多孔性或具有复杂内部通道的构件(如涡轮叶片和射流元件等) 、封闭型内部结合件(如蜂窝壁板) 以及其它焊接方法可行性差的零部件的制造；

(4) 扩散焊接为整体加热，构件变形小，尺寸精度高；

(5) 无环境污染，易于自动化。

近几年来，随着Ti 合金、Al 合金、Ni 基高温合金、不锈钢、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷等材料的超塑性相继发现，以及超塑成形/ 扩散连接(SPF/ DB) 组合工艺的发展及推广应用，大大拓宽了扩散焊接应用范围。现在扩散焊接已成为Ti 合金、Al 合金、Ni 基高温合金等超塑性材料获得近无余量构件最有前途的连接方法，在减轻航空航天构件质量和降低制造成本方面显示了巨大潜力，被认为是21 世纪航空航天大型复杂结构件高效率比制造技术的重要组成，目前国内外正在进行更深入的研究3。

异种金属的扩散焊接焊接异种金属的方法很多，主要有熔焊、固相压力焊、熔焊- 钎焊及液相过渡焊等，这些方法均有各自的优势和局限性。而扩散焊在焊接异种金属方面，与其它方法相比，具有许多优点。除整体变形小以外，还表现在:

(1) 焊接接头的质量好，接头的显微组织和性能与基体金属接近或相同，焊缝中没有熔化缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区；

(2) 可焊接其它方法难以焊接的材料，不论是塑性差或熔点高的同种材料，还是相互不溶解或熔焊时会产生金属间化合物的异种金属材料，都能得到较牢固的焊接接头；

(3) 扩散焊接的主要工艺参数(温度、压力、时间) 容易控制，操作过程简单；

(4) 焊接接头成分是2 种基体金属的中间过渡成分，其密度介于基体金属之间，因而不会造成接头处密度值的突降。

异种金属扩散焊接复合构件在航空航天领域的应用日益广泛，如先进飞机上AISI4340 与In2conel718 合金连接的涡轮转子、高性能液体火箭发动机推力室Cu 合金、Nb 合金与耐热钢的连接，航天飞机发动机装置上Ti 合金与不锈钢的连接等都采用了扩散焊接技术。

对于钛- 钢异种金属复合结构，由于钛与不锈钢基体铁的晶格类型不同，原子半径相差较大，相互溶解度极小，在焊缝中形成大量的金属间化合物TiFe 和TiFe2 ，从而使焊缝变脆。钛是强碳化物形成元素，与钢中的碳形成脆性的TiC ，进一步增加了焊缝的脆性。又由于二者的线膨胀系数相差较大，在焊缝加热和冷却过程中变形量不同，在焊接接头中形成较大的内应力。由此，必然在焊缝中形成裂纹。因此，采用扩散焊接方法连接钛与不锈钢较为适宜。孙荣禄等人对其的扩散焊接进行了研究，结果表明:

(1) 钛合金TC4 与不锈钢1Cr18Ni9Ti 直接扩散焊时，由于母材组元的相互扩散，在结合面附近形成了金属间化合物层而导致接头脆断；

(2) 采用钒+ 铜作过渡金属，可获得钛合金与不锈钢的牢固连接。最佳规范参数为:焊接温度(T) 为900～950 ℃，焊接比压力( P)为5～10MPa ，焊接时间(t) 为20～30min ；

(3) 钛合金- 钒- 铜- 不锈钢接头的性能与软质夹层铜的厚度有关。当铜的厚度为0. 02mm ，接头的强度可达540MPa 左右。

由上可知，在异种材料扩散连接的接头中，当界面上有脆性的金属间化合物产生时，接头往往表现出较差的力学性能。因此，研究并建立接头界面区金属间化合物相的生成和成长行为的数学模型对扩散连接过程控制有非常重要的理论及现实意义。何鹏等人根据扩散理论，指出界面处生成相的动力学驱动力取决于扩散偶中组元自身的特性，生成相的组元及比例应按原子扩散通量比优先生成。作者从动力学及热力学角度出发，提出了多组元扩散偶界面处的金属间化合物生成相原则:通量- 能量原则。如钛/ 镍/ 钢扩散焊接头，钛/ 镍界面处金属间化合物相的生成规律为Ni/ TiNi3/ TiNi/ Ti2Ni/ Ti 。

目前，异种金属焊接的主要困难是在接头中易于形成脆性化合物。从研究现状来看，主要是采用过渡金属作隔离层，但这给实际生产带来很大困难。今后的主要任务是研究焊缝中金属间化合物的形成规律，以提高异种金属接头性能2。

陶瓷/ 金属扩散焊接1.陶瓷/ 金属焊接的主要困难

在先进的制造业中，陶瓷/ 金属连接构成的复合构件可以获得金属、陶瓷性能互补的优势，满足现代工程的需要。例如由陶瓷和金属组成的涡轮轴(原来由镍基耐热合金制造) 可减少惯性34 % ，加速响应时间缩小36 %。在这些构件中，金属和陶瓷的可靠连接变得非常重要，接头的机械性能及其高温强度也成为急待解决的技术关键。

陶瓷是金属与非金属元素的固体化合物，它与金属有相似之处，也有晶粒聚集体、晶粒和晶界。但它与金属有本质上的不同，它不含有大量自由电子，而是以离子键、共价键或二者的混合键结合在一起，稳定性很高。陶瓷的相组成比金属要复杂得多，其显微组织有晶体相、玻璃相和气相，所以其性能与金属不同，故在陶瓷与金属的焊接上存在以下困难:

(1) 它们的结晶结构不同，导致熔点极不相同；

(2) 陶瓷晶体的强大键能使元素扩散极困难；

(3) 它们的热膨胀系数相差悬殊，导致接头产生很大热应力，会在陶瓷侧产生裂纹;

(4) 结合面产生脆性相、玻璃相会使陶瓷性能减弱。

2.陶瓷/ 金属的扩散焊接现状

扩散焊接适用于各种陶瓷与各种金属的连接。其显著特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性能和耐腐蚀性能好。因此，对于高温和耐蚀条件下的应用来讲，扩散焊接是陶瓷与金属连接最适宜的方法。

P. Hussain 等对Sialon 陶瓷与铁素体和奥氏体不锈钢进行直接扩散焊接。由于材料之间的相互反应和扩散，测试分析表明:Sialon 与铁素体钢之间形成了韧性很好的界面，从而缓和了Sialon与铁素体钢之间的热性能不匹配。而Sialon 陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形成韧性层，因而Sialon与铁素体不锈钢的连接比奥氏体不锈钢成功得多。

在陶瓷与金属的扩散焊接中，为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数不同而引起的残余应力以及控制界面反应，抑制或改变界面反应产物以提高接头性能，常采用中间层:

(1) 为缓解接头的残余应力，中间层可采用单一的软金属，也可采用多层金属。软金属中间层有Ni ，Cu 及Al 等，它们的塑性好，屈服强度低，能通过塑性变形和蠕变变形来缓解接头的残余应力；

(2) 从控制界面反应出发，可以选择活性金属中间层，也可以采用粘附性金属中间层。活性金属中间层有V ， Ti ，Nb ， Zr ，Hf ，Cu - Ti 及Ni2Cr 等，它们能与陶瓷相互作用，形成反应产物，并通过生成的反应产物使陶瓷与被连接金属牢固地连接在一起。粘附性金属中间层有Fe ，Ni 和Fe - Ni 等，它们与某些陶瓷不起反应，但可与陶瓷组元相互扩散形成扩散层。

研究发现，将粘附性金属与活性金属组合运用，所取得的效果更好。刘伟平等人研究了加Nb 膜中间层对Cu/ Al2O3 界面接合强度的影响，结果表明:Nb 膜中间层的加入，显著提高了Cu/ Al2O3 扩散焊接头的断裂能量。在此基础上，作者还以单晶α- Al2O3 陶瓷和单晶Cu 为母材，研究了Cu/Al2O3 扩散焊接头以及带Nb 膜中间层的Cu/ Nb/Al2O3 扩散焊接头界面晶体位向关系对接头断裂能量的影响。同样，采用金属Nb (箔片) 做中间缓冲层，对SiC 陶瓷和SUS304 不锈钢也进行了扩散焊接，接头强度稳定在100MPa 以上。

近年来，采用功能梯度材料作中间层焊接陶瓷/ 金属，焊接接头性能得到更大程度的改善。此外，为改进陶瓷的焊接性，预先对陶瓷表面进行金属化，再扩散焊接陶瓷与金属，接头强度也大大提高，如AlN 与Cu 和FeNi42 的连接。Dr.2Ing.Ulrich Draugelates 等人认为，如果陶瓷表面不经任何处理，陶瓷/ 金属焊接接头在冷却过程中，陶瓷周围将产生应力极大值。为了减少残余应力和提高接头强度，可对陶瓷表面预先进行宏观几何学处理(a modified macrogeometry) ，残余应力将位于被金属填充的被连接陶瓷表面的凹槽中，连接区的周围就没有应力集中。有限元方法模拟表明:陶瓷被连接表面的不同的几何形状对缓解残余应力的贡献并没有明显不同。

陶瓷/ 金属复合构件在航空航天领域具有广阔的应用前景，但由于影响陶瓷/ 金属扩散焊接的因素很多，诸如中间层的选择、中间层厚度、被连接表面形状等，都有可能影响扩散焊接头的质量，这些问题有待进一步研究。

扩散焊接理论研究进展扩散焊接技术是一门边缘科学，涉及材料、扩散、相变、界面反应、接头应力应变等各种行为，工艺参数众多，虽然已进行了大量的试验研究，但却对各种材料的连接机理尚未有明确的认识，为此人们试图借助计算技术，对接头行为进行数值模拟，以便找到共同规律，对扩散连接过程及质量进行预测与实时控制对扩散连接接头行为的模拟，主要有3 个方面:

(1) 界面孔洞消失过程的机理模拟，即物理接触行为的模拟；

(2) 接头元素扩散与反应层形成的模拟；

(3) 接头变形及应力行为的模拟。

1.界面孔洞消失过程的机理

界面孔洞消失过程即界面紧密接触的过程是在塑性变形机理、粘性变形机理、界面扩散机理及体积扩散机理的共同作用下实现的。

从大类又可分为以塑性流动为主体的“变形机理”和以原子扩散流束为主体的“扩散机理”，其区别在于前者必伴有位错的滑移，后者则无需位错的滑移。

2.接头元素扩散与反应层形成的模拟

目前，接头元素扩散与反应层形成的模拟主要针对异种材料进行。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。对此进行的研究，不但可以探明反应进行的可能性，而且可以确定反应进行的快慢程度，这对扩散连接工艺的制定是非常有益的。合金元素的扩散决定了材料间的原子扩散距离以及接头处的均匀化程度，哈尔滨工业大学的何鹏以费克第二定律为基础对此进行了研究并建立了扩散过程中的元素浓度分布模型。对于异种材料扩散连接时金属间化合物的形成机理，到目前为止还没有一个理论能完全准确地预测和解释，只是有一个大家趋于一致的看法，即扩散连接中金属间化合物的形成和生长过程的初始阶段主要包括:接触金属以不同的速度进行互扩散，在晶体结构缺陷周围形成过饱和固溶体，在含扩散元素浓度高的缺陷区域形成新相晶核;金属间化合物晶核沿接头界面横向生长，长大的金属间化合物连成整体，并转向正常的正向生长;当生长到一定厚度时开始在其界面上形成第2 种金属间化合物的晶核:第1 种金属间化合物层进一步长大，第2 种金属间化合物横向生长，连成整体。

3.接头变形及应力行为的模拟

扩散连接接头应力模拟研究主要集中在陶瓷/ 金属连接件中，常采用解析方法和有限元方法进行分析计算，并以计算结果作为缓解措施的依据。

但是由于在对扩散连接接头的残余应力分析中，无论是解析法还是有限元法，几乎都未考虑材料间扩散过程中所形成的反应层，而此反应层是影响接头残余应力及接头性能的极其重要的因素，因而，其计算模型在很大程度上降低了分析结果的准确性，有待开展更加深入细致的研究工作1。

总结异种材料的扩散焊接是一门综合性技术，涉及范围广，学科交叉性强。尽管人们在这方面进行了大量的工作，也取得了显著的成果，但在界面反应的研究、残余应力分析、接头性能评定及连接工艺等方面还有待深入研究3。