3.扩散连接

用这种新的热加工方法可以制造钛合金 薄壁复杂结构件（飞机大型壁板、翼梁、舱 门、发动机叶片），并已经在航天、航空领 域得到应用，如波音747飞机上有70多个 钛合金结构件就是应用这种方法制造的。用 这种方法制成的结构件，与常规方法相比质 量小，刚度大，可减轻质量30％，降低成 本50％，提高加工效率20倍.
特点
无铸造组织，无熔焊缺陷；实现难焊材料的 连接；精度高，变形小；可进行大面积板及圆 柱的连接；采用中间层可减少残余应力。 无法进行连续式批量生产；时间长，成本高； 接合表面要求严格；投资大，工件尺寸受到限 制。 2014-2-16 2
扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的 扩散连接； 从是否产生液相角度又可分为固相扩散连接和液 相扩散连接； 从连接环境上，还可分为真空扩散连接和保护气 氛环境下的扩散连接。
扩 散 连 接
diffusion bonding
扩散连接特别适合异种金属材料、陶瓷、 金属间化合物、非晶态及单晶合金等新材料 的接合 广泛应用于航空、航天、仪表及电子等 国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车 制造等领域
定义
相互接触的材料表面，在高温和压力的作用 下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形， 原子间产生相互扩散，在界面形成了新的扩散 层，从而形成可靠连接的接头。
扩散连接一般在真空、不活性气体（Ar、 N2）或大气气氛环境下进行。一般来说， 真空扩散连接的接头强度高于在不活性气 体和空气中连接的接头强度。计算和实验 结果表明，真空室内的真空度在常用的规 范范围内（1.33～1.33×10-3Pa），就 足以保证连接表面达到一定的清洁度，从 而确保实现可靠连接。
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(2)接触表面激活阶段 不同材料的原子在 高温下相互扩散，晶 界发生迁移及微小孔 洞消失，在界面形成 不连续的结合层。
(3)接头形成阶段 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 边的连接接头。
1.1.2 物理接触过程
1.1.2.1物理接触及氧化膜去处
（1）扩散连接过程中氧化膜消除途径 1）解吸 2）升华 3）溶解 金属表面氧化膜的溶解或发生还原反应 4）表面变形去膜 金属与氧化膜性能相差较大 5）化学反应 真空中残留的气体与被连接材料表面发生反应 2014-2-16
3) 改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和 有害的共晶组织。 异种金属材料扩散连接时，最好选用与母材不形 成金属化合物的第三者材料，以便通过控制界面反应， 改善材料的连接性。 4) 可以降低连接温度，减少扩散连接时间。 例如，Mo直接扩散连接时，连接温度为1260℃， 而采用Ti箔作为中间层，连接温度只需要930℃。 5) 控制接头应力，提高接头强度。 异种材料连接时，由于材料物理化学性能的突变， 特别是因热膨胀系数不同，接头易产生很大的热应力。 选取兼有两种母材性能的材料作为中间层，形成梯度 接头，避免或减少界面的热应力，从而提高接头强度。
2.2.1.连接温度
连接温度T越高，扩散系数越大，金属的 塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触 所需的压力越小。但是，加热温度受到再结 晶、低熔共晶和金属间化合物生成等因素的 影响。因此，不同材料组合的连接温度，应 根据具体情况，通过实验来选定。从大量实 验结果看，连接温度大都在0.5～0.8Tm （母材熔化温度）范围内，最适合的温度一 般为≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度， 常选择在可生成液相的最低温度附近，温度 过高将引起母材的过量溶解。
1.2 超塑成形扩散连接基本原理
超塑性是指在一定的温度下，对于等轴 细晶粒组织，当晶粒尺寸、材料的变形速率 小于某一数值时（如钛合金晶粒尺寸小于 3μm、变形速率10-3/s～10-5/s），拉伸变形可 以超过100％，甚至达到1500％，这种行为 叫做材料的超塑性行为。材料的超塑性成形 和扩散连接的温度在同一温度区间，因此可 以把成形与连接放在一起进行，而构成超塑 成形扩散连接工艺
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（2）常用金属材料去处氧化膜机制 1）钛镍型 主要是靠氧化膜在母材中的溶解 2）钢铁型 形成夹杂物 3）铝合金型 塑性变形使氧 化膜破碎，或 用还原性强的 元素将氧化膜 还原。 2014-2-16
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1.1.2.2物理接触的形成
物理接触是形成连接接头的必要条件。依靠 一种或两种被连接材料在接触处的塑性变形来实现 的。 接触面积的增加可以分为变形、流动和实际 接触面积继续增加几个阶段。 加压初期，接触面 积不到总面积的1-2%。 经过几秒钟的加压后， 变形量相应降低2-3个数 量级，并转入不稳定的流 动阶段。实际接触面积可 以达到名义接触面积的 2014-2-16 40-75%。
接头强度一般是随连接 时间的增加而上升，而后 逐渐趋于稳定。接头的塑 性，伸长率和冲击韧度与 扩散连接时间的关系也与 此相似。右图是铜与钢的 接头强度与连接时间的关 系，在连接时间为20min 时得到最大值；当添加镍 中间层时，接头强度有所 提高，但变化趋势相同
2.2.3 连接压力
扩散连接时单位面积上的压力P主要为促使连 接表面产生塑性变形及达到紧密接触状态，使界面 区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失， 防止扩散孔洞的产生。压力越大，温度越高，紧密 接触的面积也越多。但不管压力多大，在扩散连接 的初期不可能使连接表面达到100％的紧密接触状 态，总有一小部分演变成界面孔洞。目前，扩散连 接规范中应用的压力范围很宽，最小只有 0.04MPa（瞬时液相扩散连接），最大可达 350MPa（热等静压扩散连接），而一般压力约为 10～30MPa。
Si3N4陶瓷与金属连 接时，表面粗糙度对 接头强度的影响十分 显著，粗糙的表面会 在陶瓷中产生局部应 力集中而容易引起脆 性破坏。Si3N4－Al 接头表面粗糙度对接 头抗弯强度的影响如 图18所示（试件的连接温度T＝1073K，压力P＝ 0.05MPa，连接时间t＝10min）。从图中可知，表面 粗糙度为0.1μ m时，接头强度比母材强度稍低，当 表面粗糙度由0.1μ m变为0.3μ m时，接头抗弯强度 从470MPa降低到270MPa。
2.2.2扩散连接时间
扩散连接时间t也称保温时间，主要决定原子扩 散和界面反应的程度，同时也对所连接金属的蠕变 产生影响。连接时间不同，所形成的界面产物和界 面结构不同。扩散连接时，要求接头成分均匀化的 程度越高，连接时间就将以平方的速度增长。在实 际扩散连接工艺中，连接时间从几分钟到几小时， 甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑，连接时 间越短越好。若缩短连接时间，必须相应提高温度 与压力。 。
2.2.5 表面状态
扩散连接材料的表面应光滑平整，一般应先进行 机械加工，然后去除加工表面的油、锈及表面氧化 物。 （1）表面粗糙度的影响 几乎所有的焊接件都需要 由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗 糙等级不同。扩散连接的试件一般要求表面粗糙度 应达到Ra>2.5μm（△6）以上。 扩散连接时，被连接工件的表面粗糙度对接头的力 学性能也有影响，高温下不易变形的材料，连接时 的塑性变形小，则表面粗糙度要细一些， 一般来讲，工件表面粗糙度Ra在0.63μm左右。 对耐热合金与耐热钢的扩散连接，要求表面粗糙度 应达到Ra＝0.32μm以上。表面加工质量越高，即 表面粗糙度越小，越有利于结合面之间的紧密结合。
第一节 扩散连接机理
1.1 固相扩散连接基本原理
接头形成过程 材料连接时的物理接触过程 扩散连接时的化学反应
1.1.1 接头形成过程
(1)物理接触阶段 高温下微观不平的表面，在外加力的作用下，局部 接触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，最终使整个接合面达到可靠接触。
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右图是用Al做中间层连接 Si3N4时环境条件对接头强度的 影响，真空连接接头的强度最高， 抗弯强度超过500MPa，接头呈交 叉状断在Al层和陶瓷中，Al层中 的断口为塑性，陶瓷中的断口为 脆性。在氩气保护下的接头 强度虽然分散度较大（330～500MPa），但平均 强度超过 400MPa。而在大气中连接时强度低， 只有100MPa左右，断口分析发现，接头沿 Al/Si32O3氧化膜，导致接头强度降低。
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无论是何种反应，界面大多生成无限固溶体、有 限固溶体和反应层。对于异种金属来说，反应层一般 为金属间化合物，而对于陶瓷和金属来讲，一般生成 碳化物、硅化物、氮化物及三元化合物或多元化合物。 某些异种金属扩散连接 时，过渡区中的元素很容易 达到极限溶解度，此时界面 将生成金属间化合物。 金属间化合物形成初期， 固溶体先在晶界的局部地区 产生过饱和，从而形核。随 着扩散的进行，变成金属间 化合物的岛，进而形成连续 的新相层。
固相扩散连接时，元 素之间的互扩散引起化 学反应，温度越高，反 应越激烈，生成反应相 的种类也越多。同时， 在其他条件相同时，随 着温度的增加，反应层 厚度越厚。 图11是SiC/Ti界面的 反应层厚度与时间、温 度的关系，从图中可知， 连接时间相同时，提高 温度可以大幅度增加接 头反应层厚度
锡青铜与钛扩散连接时，温 度在1073K（800℃）以下，即 使施加很大的压力，接头强度仍 然很低，主要原因是温度过低， 界面处于活化状态的原子少，无 法形成良好的接合界面。连接温 度在1073～1093K范围内，接 头强度随温度的上升而增加，在 1093K时达到165MPa的最大强 度值。但连接温度进一步增加，接头强度逐渐下降。 原因在于，接合界面出现了脆性的金属间化合物，该 化合物层随温度增加而变厚，从而降低了接头强度
第二节 扩散连接工艺
2．1 扩散连接的工艺特点
优点： 1) 接合区域无凝固（铸造）组织，不生成 气孔、宏观裂纹等熔焊时的缺陷。 2) 同种材料接合时，可获得与母材性能相 同的接头，几乎不存在残余应力。 3) 对于塑性差或熔点高的同种材料、互相 不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物 的异种材料（包括金属与陶瓷），扩散连接 是可靠的连接方法之一。 4) 精度高，变形小，精密接合。 5) 可以进行大面积极及圆柱的连接。 6) 采用中间层可减少残余应力。
例如，Al合金表面易形成一层稳定的 Al2O3氧化物层，扩散连接时该层不向 母材中溶解。可以采用Si作中间层，利用 Al-Si共晶反应形成液膜，促进Al2O3层 破碎。又如Ni基合金表面也容易形成氧化 膜，扩散连接时，由于微量氧的存在，可 在连接界面促进碳化物和氮化物的形成， 影响接头性能。若采用Ni箔做中间层进行 扩散连接，可以对这些化合物的生成抑制 作用。
2.2.6 中间层选择
1) 改善表面接触，减小扩散连接时的压力。 对于难变形材料，扩散连接时采用软质 金属或合金做中间层，利用中间层的塑性变 形和塑性流动，使结合界面达到紧密接触， 提高物理接触效果和减少达到紧密接触所需 的时间。同时，中间层材料的加入，使界面 的浓度梯度变大，促进元素的扩散，加速扩 散空洞的消失。 2) 可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。
增大压力可以使接头 强度提高和伸长率增大。 右图是用Cu或Ag连接 Al2O3陶瓷、用Al连接 SiC时的变化趋势。与连 接温度和时间的影响一样， 压力也存在最佳值，在其 他规范参数不变的条件下， 最佳压力时接头可以获得 最佳强度。另外，压力的 影响还与材料的类型、厚 度以及表面氧化状态有关。
2.2.4 环境气氛
缺点
1) 无法进行连续式批量生产 2) 时间长，成本高 3) 对接合表面要求严格 4) 设备一次性投资较大，且连接工件的尺 寸受到设备的限制。
2．2 扩散连接工艺参数选择
扩散连接参数主要: 温度、压力、时间、气氛环境和试件的表面 状态 这些因素之间相互影响、相互制约，在选择 焊接参数时应综合考虑。此外，扩散连接时 还应考虑中间层材料的选用
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形成实际接触的 时间与温度和压力有 关，约为1到几十分钟， 实际接触面积可达到 总面积的90%-95%。 剩余的孔隙将在扩散 过程中被填满。
1.1.3扩散连接时的化学反应
异种材料连接时，界面将发生化学反应，形成各 种界面化合物。化学反应首先在相互接触的局部形成 反应源，而后接触面积变大，反应面积也变大，反应 生成的化合物也逐渐增大。 当整个界面都发生化学反应时，生成相也由不连 续的粒状或块状成长为层状，形成良好的接头。 扩散连接时，压力对反应源的数量有决定性的影 响，温度和时间主要影响反应速度和生成相的成长。
扩扩散散连连接diffusionbonding扩散连接特别适合异种金属材料陶瓷非金属间化合物非晶态及单晶合金等新材料的接合广泛应用于航空航天仪表及电子等国防部门并逐步扩展到机械化工及汽车制造等领域的接合广泛应用于航空航天仪表及电子等国防部门并逐步扩展到机械化工及汽车制造等领域定义相互接触的材料表面在高温和压力的作用下被连接表面相互靠近局部发生塑性变形原子间产生相互扩散在界面形成了新的扩散层从而形成可靠连接的接头