扩散焊技术及其应用_陈君
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扩散焊技术及其应用
陈 君 1 徐艳升 2 （1、哈尔滨焊接技术培训中心，黑龙江 哈尔滨 150046 2、佳木斯大学 材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007）
摘 要： 扩散焊是一种先进的焊接技术，在异种材料连接领域得到了广泛应用。综述了扩散焊技术的原理及其影响因素，并介绍了扩散焊技术 在异种金属、陶瓷 / 金属连接中的应用。
4 结论 扩散焊技术是一门综合性技术，涉及材料、 பைடு நூலகம்散、相变、界面反应、接头应力应变等各种行为。 因其技术特点，扩散焊技术正受到越来越多的关 注，在我国已进入实际应用阶段。随着对技术的不 断掌握，必将会越来越多地应用到各类产品中。
参考文献 [1]李志远.先进连接方法[M].北京: 机械工业出版 社, 2000, 132. [2]谭天亚,傅正义.扩散焊接异种金属及陶瓷/金属 的研究进展[J].硅酸盐通报,2003(1): 59-63. [3]林兆荣.金属超塑性成形原理及应用[M].北京: 航 空工业出版社, 1990, 1992 [4]孟胶东,曲文卿.Al-Cu 双金属复合结构的扩散连 接试验研究[J].材料工程,2003 (1): 34-37. [5]曲文卿,董峰.异种材料的连接[J].航天制造技术, 2006 (3): 44-49. [6] 陈健,浦娟.铝及铝合金与钢连接技术研究进展 [J]. 江苏科技大学学报 (自然科学版), 2008, 22(2): 39-44. [7] 伍光凤,盛光敏. 钛合金和不锈钢的扩散焊接研 究进展[J].热加工工艺, 2007, 36(3): 86-89 [8] 蔚晓嘉, 马宏伟,等. 陶瓷与金属焊接性的认识 论[J].西安矿业学院学报, 1998, 18(2): 165-169. [9] Hussain P. Isnin A. Joining of austenitic stainless steel and ferritic stainless steel to sialon. Journal of Materials Processing Technolo－ gy, 2001, 113: 222-227 [10]刘会杰,冯吉才.陶瓷与金属扩散连接的研究现 状[J].焊接,2000 (9): 7-12.
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关键词： 扩散焊；异种金属；陶瓷 / 金属
1 概述 现代工程应用中对高性能构件的需求越来 越多，经常需要把性能差异较大的异种材料，如金 属与陶瓷，金属与玻璃等连接在一起。用传统的熔 焊方法难以实现，扩散焊技术是解决以上熔化焊 存在问题的有效方法之一。近年来作为特种焊方 法之一的扩散焊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。 2 扩散焊的原理及影响因素 2.1 基本原理 扩散焊是指在一定的温度和压力下，待焊 表面相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑 性变形，或通过被连接表面产生的瞬态液相而扩 大被连接表面的物理接触，然后经较长时间的原 子间相互扩散、相互渗透，而形成冶金结合的连接 过程[1]。 扩散焊过程大致可分三个阶段，第一阶段为 物理接触，被连接表面在压力和温度作用下，粗糙 表面的微观凸起首先达到塑性变形，在持续压力 的作用下，接触面积逐渐扩大，并紧密接触，最终 达到整个面的可靠接触；第二阶段是接触界面原 子间的相互扩散和再结晶，形成牢固的结合层；第 三阶段是在接触部分形成的结合层中，原子扩散 逐渐向纵深发展，形成可靠连接接头。这三个过程 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[2]。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。 2.2 影响扩散焊的主要因素 2.2.1 温度。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[3]为 T= (0.6- 0.8) Tm，其中 Tm 为被焊零件材料中的最低熔点。温度是促进原子 扩散的最重要因素，加热焊件能提高原子、离子、 分子的能量，从而加速扩散，但温度过高，对焊缝 度强有所降低。因此，如何选定最佳焊接温度，是 提高焊缝强度的关键。2.2.2 压力。压力能使材料连 接面达到完全接触，扩大有效的焊接面积，加快扩 散再结晶过程。焊接压力的大小，要视焊接材料的 屈服极限和蠕变程度而定，一般以接合面产生蠕 变变形为原则。2.2.3 时间。扩散焊三个阶段的进行 都需要较长的时间。一般说来，延长扩散时间，可 以提高扩散效果，但对某些材料，保温扩散时间过 长，效果反而不好，甚至会产生金属间化合物脆性 层。能否正确地选择时间参数，对焊缝强度的影响 很大。2.2.4 工作介质。为防止扩散过程中焊件氧 化，一般采用真空扩散焊，或用特殊气氛作保护介 质。真空扩散焊目前应用较多。一般而言，真空度 越大，表面净化作用越强，焊接效果越好。选定多 大的真空度应以被焊接材料的种类和对焊件的要
求而定。气体保护扩散焊多用氩、氦、氢或二氧化 碳及各种混合气体作保护气氛。2.2.5 表面状态。零 件的加工精度、表面状态是扩散焊能否成功的关 键。良好的表面状态能使零件在温度、压力的作用 下结合得更紧密，扩散更充分，焊接质量更可靠。 焊接前要将焊接面清洗干净，不得有任何杂质和 氧化层。为扩大连接面，增强焊缝强度，还可以通 过设计合理的焊件连接面结构形状来实现。
3 扩散焊技术的应用 3.1 异种金属的扩散焊接 扩散焊能够实现同种或异种材料的结合，特 别是对性能差异大的异种材料，具有更突出的优 势。 铝和铜都是常用材料，铝铜连接结构在航空 航天、电子行业中应用也非常广泛。但铜和铝都易 被氧化，并且铝和铜之间易产生脆性金属间化合 物 CuAl2，此外铜与铝的线膨胀系数不同，易产生 很大的热应力。 航空航天仪表中的重要部件铝铜双金属片 的制造就采用了扩散焊方法。采用 LF2 铝合金与 纯铜通过真空扩散焊方法加工制造，铝合金规格 为 50mm×50mm×lmm，纯铜规格为 50mm× 50mm×0.5mm，材料厚度薄，且要求一定的强度和 良好的导电性能。铝与铜的真空扩散焊工艺为：真 空度 5- 7×10-3Pa,焊接温度 530℃- 540℃，焊接时 间 10min，压力 10MPa，结果取得了良好的性能[4,5]。 在异种金属扩散连接的接头中，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。当前，从研究现状来看，主要是采 用过渡材料作隔离层[6,7]，但这会给实际生产增加一 定的困难。 3.2 陶瓷 / 金属的扩散焊接 在现代制造业中，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 工程的需要。由于陶瓷与金属存在本质上的不同， 致使两者间的焊接存在困难[8]：a.结晶结构不同，导 致熔点极不相同；b.陶瓷晶体的强大键能使元素扩 散困难；c.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；d.结合面产生脆 性相、玻璃相会使陶瓷性能减弱。 扩散焊适用于各种陶瓷与各种金属的连接。 其特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性 能和耐蚀性能好。P.Hussain[9]等对 Sialon 陶瓷与铁 素体不锈钢进行直接扩散焊。试验表明：由于材料 之间的相互反应和扩散 Sialon 与铁素体不锈钢之 间形成了韧性很好的界面，缓和了 Sialon 与铁素 体不锈钢之间的热性能不匹配问题。 在陶瓷与金属的扩散焊中，为缓减接头的残 余应力和控制界面反应产物，常采用金属中间层 [10]：a.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，其塑性好，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。采用多层 金属中间层的效果要好于单一金属中间层，一般 在陶瓷一侧施加低热胀系数、高弹性模量的金属， 如 Mo 等；在金属一侧施加塑性好的软金属，如 Ni，Cu 等。但多层金属的层数不能过多，否则会因 层间的结合性能影响接头的稳定性。b.为控制界面 反应，可选择活性金属中间层，也可采用粘附性金 属中间层。活性金属中间层有 V、Ti、Nb、及 Ni- Cr 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。粘附性金属中间层有 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，取得的效果更好。刘伟平等研究了加 Nb 膜中 间层对 Cu/Al2O3 界面接合强度的影响，试验表明 Nb 膜中间层的加入能够提高 Cu/Al2O3 扩散焊接 头的断裂能量[2]。此外，预先对陶瓷表面进行金属化 处理，改进陶瓷的焊接性，再扩散焊接陶瓷与金 属，接头强度也大大提高。
扩散焊技术及其应用
陈 君 1 徐艳升 2 （1、哈尔滨焊接技术培训中心，黑龙江 哈尔滨 150046 2、佳木斯大学 材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007）
摘 要： 扩散焊是一种先进的焊接技术，在异种材料连接领域得到了广泛应用。综述了扩散焊技术的原理及其影响因素，并介绍了扩散焊技术 在异种金属、陶瓷 / 金属连接中的应用。
4 结论 扩散焊技术是一门综合性技术，涉及材料、 பைடு நூலகம்散、相变、界面反应、接头应力应变等各种行为。 因其技术特点，扩散焊技术正受到越来越多的关 注，在我国已进入实际应用阶段。随着对技术的不 断掌握，必将会越来越多地应用到各类产品中。
参考文献 [1]李志远.先进连接方法[M].北京: 机械工业出版 社, 2000, 132. [2]谭天亚,傅正义.扩散焊接异种金属及陶瓷/金属 的研究进展[J].硅酸盐通报,2003(1): 59-63. [3]林兆荣.金属超塑性成形原理及应用[M].北京: 航 空工业出版社, 1990, 1992 [4]孟胶东,曲文卿.Al-Cu 双金属复合结构的扩散连 接试验研究[J].材料工程,2003 (1): 34-37. [5]曲文卿,董峰.异种材料的连接[J].航天制造技术, 2006 (3): 44-49. [6] 陈健,浦娟.铝及铝合金与钢连接技术研究进展 [J]. 江苏科技大学学报 (自然科学版), 2008, 22(2): 39-44. [7] 伍光凤,盛光敏. 钛合金和不锈钢的扩散焊接研 究进展[J].热加工工艺, 2007, 36(3): 86-89 [8] 蔚晓嘉, 马宏伟,等. 陶瓷与金属焊接性的认识 论[J].西安矿业学院学报, 1998, 18(2): 165-169. [9] Hussain P. Isnin A. Joining of austenitic stainless steel and ferritic stainless steel to sialon. Journal of Materials Processing Technolo－ gy, 2001, 113: 222-227 [10]刘会杰,冯吉才.陶瓷与金属扩散连接的研究现 状[J].焊接,2000 (9): 7-12.
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关键词： 扩散焊；异种金属；陶瓷 / 金属
1 概述 现代工程应用中对高性能构件的需求越来 越多，经常需要把性能差异较大的异种材料，如金 属与陶瓷，金属与玻璃等连接在一起。用传统的熔 焊方法难以实现，扩散焊技术是解决以上熔化焊 存在问题的有效方法之一。近年来作为特种焊方 法之一的扩散焊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。 2 扩散焊的原理及影响因素 2.1 基本原理 扩散焊是指在一定的温度和压力下，待焊 表面相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑 性变形，或通过被连接表面产生的瞬态液相而扩 大被连接表面的物理接触，然后经较长时间的原 子间相互扩散、相互渗透，而形成冶金结合的连接 过程[1]。 扩散焊过程大致可分三个阶段，第一阶段为 物理接触，被连接表面在压力和温度作用下，粗糙 表面的微观凸起首先达到塑性变形，在持续压力 的作用下，接触面积逐渐扩大，并紧密接触，最终 达到整个面的可靠接触；第二阶段是接触界面原 子间的相互扩散和再结晶，形成牢固的结合层；第 三阶段是在接触部分形成的结合层中，原子扩散 逐渐向纵深发展，形成可靠连接接头。这三个过程 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[2]。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。 2.2 影响扩散焊的主要因素 2.2.1 温度。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[3]为 T= (0.6- 0.8) Tm，其中 Tm 为被焊零件材料中的最低熔点。温度是促进原子 扩散的最重要因素，加热焊件能提高原子、离子、 分子的能量，从而加速扩散，但温度过高，对焊缝 度强有所降低。因此，如何选定最佳焊接温度，是 提高焊缝强度的关键。2.2.2 压力。压力能使材料连 接面达到完全接触，扩大有效的焊接面积，加快扩 散再结晶过程。焊接压力的大小，要视焊接材料的 屈服极限和蠕变程度而定，一般以接合面产生蠕 变变形为原则。2.2.3 时间。扩散焊三个阶段的进行 都需要较长的时间。一般说来，延长扩散时间，可 以提高扩散效果，但对某些材料，保温扩散时间过 长，效果反而不好，甚至会产生金属间化合物脆性 层。能否正确地选择时间参数，对焊缝强度的影响 很大。2.2.4 工作介质。为防止扩散过程中焊件氧 化，一般采用真空扩散焊，或用特殊气氛作保护介 质。真空扩散焊目前应用较多。一般而言，真空度 越大，表面净化作用越强，焊接效果越好。选定多 大的真空度应以被焊接材料的种类和对焊件的要
求而定。气体保护扩散焊多用氩、氦、氢或二氧化 碳及各种混合气体作保护气氛。2.2.5 表面状态。零 件的加工精度、表面状态是扩散焊能否成功的关 键。良好的表面状态能使零件在温度、压力的作用 下结合得更紧密，扩散更充分，焊接质量更可靠。 焊接前要将焊接面清洗干净，不得有任何杂质和 氧化层。为扩大连接面，增强焊缝强度，还可以通 过设计合理的焊件连接面结构形状来实现。
3 扩散焊技术的应用 3.1 异种金属的扩散焊接 扩散焊能够实现同种或异种材料的结合，特 别是对性能差异大的异种材料，具有更突出的优 势。 铝和铜都是常用材料，铝铜连接结构在航空 航天、电子行业中应用也非常广泛。但铜和铝都易 被氧化，并且铝和铜之间易产生脆性金属间化合 物 CuAl2，此外铜与铝的线膨胀系数不同，易产生 很大的热应力。 航空航天仪表中的重要部件铝铜双金属片 的制造就采用了扩散焊方法。采用 LF2 铝合金与 纯铜通过真空扩散焊方法加工制造，铝合金规格 为 50mm×50mm×lmm，纯铜规格为 50mm× 50mm×0.5mm，材料厚度薄，且要求一定的强度和 良好的导电性能。铝与铜的真空扩散焊工艺为：真 空度 5- 7×10-3Pa,焊接温度 530℃- 540℃，焊接时 间 10min，压力 10MPa，结果取得了良好的性能[4,5]。 在异种金属扩散连接的接头中，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。当前，从研究现状来看，主要是采 用过渡材料作隔离层[6,7]，但这会给实际生产增加一 定的困难。 3.2 陶瓷 / 金属的扩散焊接 在现代制造业中，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 工程的需要。由于陶瓷与金属存在本质上的不同， 致使两者间的焊接存在困难[8]：a.结晶结构不同，导 致熔点极不相同；b.陶瓷晶体的强大键能使元素扩 散困难；c.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；d.结合面产生脆 性相、玻璃相会使陶瓷性能减弱。 扩散焊适用于各种陶瓷与各种金属的连接。 其特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性 能和耐蚀性能好。P.Hussain[9]等对 Sialon 陶瓷与铁 素体不锈钢进行直接扩散焊。试验表明：由于材料 之间的相互反应和扩散 Sialon 与铁素体不锈钢之 间形成了韧性很好的界面，缓和了 Sialon 与铁素 体不锈钢之间的热性能不匹配问题。 在陶瓷与金属的扩散焊中，为缓减接头的残 余应力和控制界面反应产物，常采用金属中间层 [10]：a.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，其塑性好，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。采用多层 金属中间层的效果要好于单一金属中间层，一般 在陶瓷一侧施加低热胀系数、高弹性模量的金属， 如 Mo 等；在金属一侧施加塑性好的软金属，如 Ni，Cu 等。但多层金属的层数不能过多，否则会因 层间的结合性能影响接头的稳定性。b.为控制界面 反应，可选择活性金属中间层，也可采用粘附性金 属中间层。活性金属中间层有 V、Ti、Nb、及 Ni- Cr 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。粘附性金属中间层有 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，取得的效果更好。刘伟平等研究了加 Nb 膜中 间层对 Cu/Al2O3 界面接合强度的影响，试验表明 Nb 膜中间层的加入能够提高 Cu/Al2O3 扩散焊接 头的断裂能量[2]。此外，预先对陶瓷表面进行金属化 处理，改进陶瓷的焊接性，再扩散焊接陶瓷与金 属，接头强度也大大提高。