扩散连接中界面迁移机制研究
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接中发现，细晶组织在连接中通过超塑性变形填补了空隙， 由于初始连接界面粗糙度比较高 （ 机 械 加 工 表 面 ， % &<5.65 ，在结合区形成一种镶嵌式界面结构。但作者在近期的 &> ） 超塑扩散研究结果中发现，对于一般平整连接界面 （ 经 =55D 砂纸打磨） ，该镶 嵌 结 构 并 不 存 在 ， 连 接 界 面 比 较 平 直 ， 说 明 超塑变形过程中的晶界迁移只在连接初期填补微空隙起了一 定 作 用 ； 当 连 接 表 面 达 到 接 触 时 ， 上 述 第 2、 第 0 种 扩 散 型 界 面迁移机制发挥主导作用，对于非平衡组织扩散连接和异质 扩 散 连 接 ， 首 先 是 EFG@ 占 主 导 作 用 ， 当 连 接 界 面 两 侧 成 分 接 近时，再结晶过程控制界面迁移成为主导机制。
作者简介：徐子文 （ ，男，北京航空航天大学硕士研究生， 2R8= —） 现从事新材料研发及特种焊接研究 .
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・ 启 事 ・
本刊自 055/ 年第 2 期开始刊登 “ 专题综述” 、 “ 试验与研究” 、 “ 工艺与新技术” 、 “ 焊接设备与材料”及 “ 结构件的焊接及 质量控制”专栏中文章的英文摘要及英文关键词，请撰写上述栏目文章的作者在投稿时在文后除附有英文标题及作者简介 （ 中 文）外，还应尽可能提供与中文相对应的英文摘要、关键词、第一作者单位的英文名称及前三位作者姓名的汉语拼音。本刊衷心 感谢广大作者、读者对本刊的支持和大力协作。 另，凡未订到 055/ 年 《 焊接技术》的读者，请直接与本刊编辑部联系，本刊全年定价仍为 67 元 （ 含邮资） 。 《 焊接技术》编辑部
［ 6］ J%##"KL @BLM ， APK$, GBK, U. E*">%)B##, %&$P)"$ ’KB%& 4+P&$BK,
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［ 哈 7］ 森 . 材料的相变［ 科学出版社， @］ . 北京： 2RR=. 0==I0R5. 彬， 等 . (%C# 基 合 金 固 态 焊 接 ［ H］ . 金属学报， ［ 余永宁 . 金属学原理［ 治金工业出版社， 9］ @］ . 北京： 0555. 678I67=.
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3"4. 055/
・试验与研究・
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位置的杂质对力学性能影响最显著，通过调节连接温度、时 间，避免该处杂质聚集是必要的。 图 6 为 =55 ? 、 27.9= @AB 下 05 钢 扩 散 连 接 试 样 的 标 准 拉 伸 试样的断口形貌，图中条带形貌显示出试样连接表面初始加 工遗留下来的滑痕方向，细小密集的韧窝为连接结合区域的 典型断口形貌，其中镶嵌在断面上的球状碳化物颗粒周围为
晶过程将显著影响界面迁移过程。再结晶机制下连接界面的 迁 移 驱 动 力 由 界 面 两 侧 的 压 力 差 提 供 ， 用 !" 表 示 ， !">"! 4 # ， 式中， ! 为表面张力； # 为平均晶粒半径。 当在连接界面接触 的 晶 粒 大 小 相 差 较 大 时 ， 根 据 吉 布 斯 % 汤姆逊定理可推知，晶粒尺寸越小，分摊到的界面能越多， 其化学势越高。大晶粒将通过原子扩散逐渐合并小晶粒实现 长大，图 " 为该生 长 过 程 界 面 迁 移 的 简 化 模 型 ， 图 中 示 出 了 杂 质颗粒在界面迁移 过 程 中 的 ! 种 不 同 运 动 形 式 ， 界 面 杂 质 的 存 在将影响界面迁移过程。
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［ 贺跃辉， 黄伯云， 王 8］
扩散连接试样的拉伸断裂面和钉扎界面 迁移的杂质颗粒的扫描电子显微照片
： 2RR= ， /6 （ 22 ） 2 298I2 280.
图/中 白 色 杂 质 颗 粒 分 别 分 布 在 初 始 连 接 界 面 处 、 晶 粒 内、晶界处 / 种位 置 。 一 般 来 说 ， 分 布 在 初 始 连 接 界 面 和 晶 界
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・英文标题、 摘要及关键词・ !
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图"
扩散连接界面区再结晶过程中界面迁移示意图
收稿日期： "$$"%$&%"& 基金项目：激光技术国家重点实验室开放基金资助项目 （ ［ "$$# ］ ；航空基础科学基金资助项目 （ $#$& ） $#’(#$$) ）
图 ! 为低 碳 钢 激 光 熔 凝 组 织 扩 散 连 接 区 域 的 再 结 晶 组 织 显 微照片，图中显示出大晶粒晶界迁移出初始连接位置，大晶 粒通过合并小晶粒实现长大。
8］ 在研究 (%C# 基 合 金 的 粗 晶 和 细 晶 组 织 的 异 质 扩 散 连 跃辉等人 ［
Βιβλιοθήκη Baidu
扩散连接界面区再结晶组织的扫描电子显微照片
由于初始连接界面区仍然存在着原子错配和夹杂，将在 金相试样制备中留 下 腐 蚀 痕 迹 ， 见 图 / 中 初 始 连 接 界 面 位 置 处 的平直腐蚀坑，通过延长连接时间或退火处理可进一步消除 该界面。再结晶长大过程使连接界面实现大距离迁移，有利 于提高接头的力学性能。 杂质对连接界面迁移的钉扎作用 在扩散连接过程中沿连接界面处分布的杂质是影响界面 迁移的重要因素。由于杂质的钉扎作用，将影响化学诱发晶 界迁移和再结晶的晶界迁移。杂质颗粒对单位面积界面迁移 的拖曳力 为 !"<0!"#$， 式 中 " 为 界 面 能 ， #$为 单 位 面 积 界 面 上 杂质颗粒数 。
参考文献： ［ 王 2］ ［ 何 0］ 敏. 钢 材 超 塑 扩 散 连 接 接 头 的 质 量 分 析 ［ H］ . 钢铁研究学报， 鹏， 张九海， 冯吉才， 等 . 相变扩散连接界面生成 金 属 间 化 合 物
，# 在扩散连接中杂质主要有以下几种存在形式 （ 图 0） 当界面迁移驱动力不足以克服杂质的拖曳力，杂质之间的界 面弓出，但界面并不能绕过杂质颗粒。这时，界面迁移和晶 粒长大将受到抑制，杂质残留在连接界面处，影响接头的抗 拉强度和疲劳性能 。 $ 当 界 面 迁 移 驱 动 力 和 杂 质 拖 曳 力 相 当 ， 杂 质 随 界 面 一 起 迁 移 ， 杂 质 始 终 停 留 在 迁 移 界 面 上 。%界 面 在较大的迁移驱动力作用下，获得较快的迁移速率，挣脱杂 质的拖曳作用，继续迁移。
8 ・试验与研究・
文章编号： #$$"%$"(BC"$$! ） $#%$$$8%$"
焊接技术
第 !" 卷第 # 期 "$$! 年 " 月
扩散连接中界面迁移机制研究
" 徐子文 #， ，阮中健 #，张桂林 #，黄
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（ #7 北 京 航 空 航 天 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ， 北 京 #$$$8! ； "7 华 中 科 技 大 学 激 光 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ， 湖 北 武 汉
： 0550 ， 20 （ 9） /8I62. 的数值模拟［ ： H］ . 焊接学报， 0555 ， 02 （ /） 87I8=. ［ /］ J%##"KL @BLM. (*"+K%"M +N ’K+OL* $PK%&’ $%M)+&L%&P+PM QK")%Q%LBL%+& ［ H］ .
@"LB##PK’%)B# (KB&MB)L%+&M ， 2R80 ， /S22T ： 0 80RI0 862.
随着先进扩散连接技术的深入研究，界面工程日益成为 材料扩散连接中的重点课题和关键技术。目前，对扩散连接
#］ "］ 的界面研究已经涉及连接 区 材 料 的 超 塑 变 形 ［ 、新相形成［ 等
非平衡组织，可提高同质材料的固态焊接性。
问题，但对界面行为仍缺乏基于材料本质特征的系统讨论。 本文基于扩散连接的最新试验研究结果，讨论了扩散连接过 程中的界面迁移行为以及控制因素与机理，为扩散连接界面 改性方法和连接工艺提供理论依据。
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化学诱发晶界迁移行为 化学诱发晶界迁移现象 （ *+,- ） 最 早 并 不 是 在 焊 接 过 程
图!
扩散连接界面处的化学诱发晶界迁移现象
!3)］ 中观察到的，’.//012［ 等人在研究晶界与扩散过程中发现一种
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再结晶过程控制界面迁移 当两连接表面实现原子级别距离接触以后，界面区再结
沿晶界到溶质源或从溶质源沿晶界的扩散过程，该过程引起 了边界运动。本课题组在进行表面改性组织的扩散连接中发 现了该效应，并利用该机制实现了材料的快速、低温扩散连 接。扩散连接按照两连接表面材质是否相同可分为同质扩散 连接和异质扩散连接。对于异质扩散连接，由于界面两侧之 间的化学成分差异造成的溶质浓度梯度，为连接界面处新相 如 的界面迁移提 供 了 驱 动 力 ； 对 于 非 平 衡 组 织 4 非 平 衡 组 织 （ 过饱和固溶体）的同质扩散连接，界面处新相同界面两侧非 平 衡 组 织 之 间 的 浓 度 差 异 提 供 了 界 面 迁 移 的 驱 动 力 。 *+,- 效 应力与界面区域溶质浓度分布等因素有关，具体的数值表达 见文献［ 。 (］ 图 # 是低碳 钢 激 光 熔 凝 表 面 在 5#$ 6 、 #(7&8 -9: 下 的 连 接 试样截面扫描电子显微照片。能谱成分分析表明，由于界面 两侧为碳的过饱和非平衡组织，在连接初期，新相在连接界 面处沿接头界面生长，在横向扩展生长的同时，界面受化学 诱发晶界迁移效应沿纵向生长，这种纵向生长对于实现接头 空隙快速闭合、提高接头强度是有利的。而对于平衡状态下 的同质扩散连接则不能形成该类界面迁移。因此，根据此原 理，利用激光表面熔凝或熔覆的方法，将预连接表面改性为
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图!
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没有实现连接结合的区域，呈无断裂形貌的坑状，说明杂质 颗粒在连接过程中对界面迁移有一定的钉扎作用，阻碍了界 面迁移。 超塑变形过程控制界面迁移 目前，研究者们开始关注扩散连接中材料的超塑特性。 超细等轴组织在扩 散 连 接 中 往 往 表 现 出 良 好 的 超 塑 变 形 能 力 ， 它通过晶界滑动和晶粒倾转加速了连接初期空隙的闭合。贺
)!$$&! ）
摘要：发现并研究了扩散连接过程中 ! 种主要界面迁移形式： "7 化学诱发晶界迁移 ； #7 再 结 晶 过 程 控 制 界 面 迁 移 ； $7 超 塑 变 形 过 程 控制界面迁移。建立了一个球状晶体生长物理模型来讨论扩散连接界面迁移中杂质的行为， 并讨论了滞留界面的杂质对连接的断裂 形貌和力学性能的影响。 关键词：扩散连接；界面迁移；机制 中图分类号： ?,)(!7@ 文献标识码： A
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接中发现，细晶组织在连接中通过超塑性变形填补了空隙， 由于初始连接界面粗糙度比较高 （ 机 械 加 工 表 面 ， % &<5.65 ，在结合区形成一种镶嵌式界面结构。但作者在近期的 &> ） 超塑扩散研究结果中发现，对于一般平整连接界面 （ 经 =55D 砂纸打磨） ，该镶 嵌 结 构 并 不 存 在 ， 连 接 界 面 比 较 平 直 ， 说 明 超塑变形过程中的晶界迁移只在连接初期填补微空隙起了一 定 作 用 ； 当 连 接 表 面 达 到 接 触 时 ， 上 述 第 2、 第 0 种 扩 散 型 界 面迁移机制发挥主导作用，对于非平衡组织扩散连接和异质 扩 散 连 接 ， 首 先 是 EFG@ 占 主 导 作 用 ， 当 连 接 界 面 两 侧 成 分 接 近时，再结晶过程控制界面迁移成为主导机制。
作者简介：徐子文 （ ，男，北京航空航天大学硕士研究生， 2R8= —） 现从事新材料研发及特种焊接研究 .
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本刊自 055/ 年第 2 期开始刊登 “ 专题综述” 、 “ 试验与研究” 、 “ 工艺与新技术” 、 “ 焊接设备与材料”及 “ 结构件的焊接及 质量控制”专栏中文章的英文摘要及英文关键词，请撰写上述栏目文章的作者在投稿时在文后除附有英文标题及作者简介 （ 中 文）外，还应尽可能提供与中文相对应的英文摘要、关键词、第一作者单位的英文名称及前三位作者姓名的汉语拼音。本刊衷心 感谢广大作者、读者对本刊的支持和大力协作。 另，凡未订到 055/ 年 《 焊接技术》的读者，请直接与本刊编辑部联系，本刊全年定价仍为 67 元 （ 含邮资） 。 《 焊接技术》编辑部
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晶过程将显著影响界面迁移过程。再结晶机制下连接界面的 迁 移 驱 动 力 由 界 面 两 侧 的 压 力 差 提 供 ， 用 !" 表 示 ， !">"! 4 # ， 式中， ! 为表面张力； # 为平均晶粒半径。 当在连接界面接触 的 晶 粒 大 小 相 差 较 大 时 ， 根 据 吉 布 斯 % 汤姆逊定理可推知，晶粒尺寸越小，分摊到的界面能越多， 其化学势越高。大晶粒将通过原子扩散逐渐合并小晶粒实现 长大，图 " 为该生 长 过 程 界 面 迁 移 的 简 化 模 型 ， 图 中 示 出 了 杂 质颗粒在界面迁移 过 程 中 的 ! 种 不 同 运 动 形 式 ， 界 面 杂 质 的 存 在将影响界面迁移过程。
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扩散连接试样的拉伸断裂面和钉扎界面 迁移的杂质颗粒的扫描电子显微照片
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图 ! 为低 碳 钢 激 光 熔 凝 组 织 扩 散 连 接 区 域 的 再 结 晶 组 织 显 微照片，图中显示出大晶粒晶界迁移出初始连接位置，大晶 粒通过合并小晶粒实现长大。
8］ 在研究 (%C# 基 合 金 的 粗 晶 和 细 晶 组 织 的 异 质 扩 散 连 跃辉等人 ［
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扩散连接界面区再结晶组织的扫描电子显微照片
由于初始连接界面区仍然存在着原子错配和夹杂，将在 金相试样制备中留 下 腐 蚀 痕 迹 ， 见 图 / 中 初 始 连 接 界 面 位 置 处 的平直腐蚀坑，通过延长连接时间或退火处理可进一步消除 该界面。再结晶长大过程使连接界面实现大距离迁移，有利 于提高接头的力学性能。 杂质对连接界面迁移的钉扎作用 在扩散连接过程中沿连接界面处分布的杂质是影响界面 迁移的重要因素。由于杂质的钉扎作用，将影响化学诱发晶 界迁移和再结晶的晶界迁移。杂质颗粒对单位面积界面迁移 的拖曳力 为 !"<0!"#$， 式 中 " 为 界 面 能 ， #$为 单 位 面 积 界 面 上 杂质颗粒数 。
参考文献： ［ 王 2］ ［ 何 0］ 敏. 钢 材 超 塑 扩 散 连 接 接 头 的 质 量 分 析 ［ H］ . 钢铁研究学报， 鹏， 张九海， 冯吉才， 等 . 相变扩散连接界面生成 金 属 间 化 合 物
，# 在扩散连接中杂质主要有以下几种存在形式 （ 图 0） 当界面迁移驱动力不足以克服杂质的拖曳力，杂质之间的界 面弓出，但界面并不能绕过杂质颗粒。这时，界面迁移和晶 粒长大将受到抑制，杂质残留在连接界面处，影响接头的抗 拉强度和疲劳性能 。 $ 当 界 面 迁 移 驱 动 力 和 杂 质 拖 曳 力 相 当 ， 杂 质 随 界 面 一 起 迁 移 ， 杂 质 始 终 停 留 在 迁 移 界 面 上 。%界 面 在较大的迁移驱动力作用下，获得较快的迁移速率，挣脱杂 质的拖曳作用，继续迁移。
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文章编号： #$$"%$"(BC"$$! ） $#%$$$8%$"
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第 !" 卷第 # 期 "$$! 年 " 月
扩散连接中界面迁移机制研究
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非平衡组织，可提高同质材料的固态焊接性。
问题，但对界面行为仍缺乏基于材料本质特征的系统讨论。 本文基于扩散连接的最新试验研究结果，讨论了扩散连接过 程中的界面迁移行为以及控制因素与机理，为扩散连接界面 改性方法和连接工艺提供理论依据。
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化学诱发晶界迁移行为 化学诱发晶界迁移现象 （ *+,- ） 最 早 并 不 是 在 焊 接 过 程
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扩散连接界面处的化学诱发晶界迁移现象
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再结晶过程控制界面迁移 当两连接表面实现原子级别距离接触以后，界面区再结
沿晶界到溶质源或从溶质源沿晶界的扩散过程，该过程引起 了边界运动。本课题组在进行表面改性组织的扩散连接中发 现了该效应，并利用该机制实现了材料的快速、低温扩散连 接。扩散连接按照两连接表面材质是否相同可分为同质扩散 连接和异质扩散连接。对于异质扩散连接，由于界面两侧之 间的化学成分差异造成的溶质浓度梯度，为连接界面处新相 如 的界面迁移提 供 了 驱 动 力 ； 对 于 非 平 衡 组 织 4 非 平 衡 组 织 （ 过饱和固溶体）的同质扩散连接，界面处新相同界面两侧非 平 衡 组 织 之 间 的 浓 度 差 异 提 供 了 界 面 迁 移 的 驱 动 力 。 *+,- 效 应力与界面区域溶质浓度分布等因素有关，具体的数值表达 见文献［ 。 (］ 图 # 是低碳 钢 激 光 熔 凝 表 面 在 5#$ 6 、 #(7&8 -9: 下 的 连 接 试样截面扫描电子显微照片。能谱成分分析表明，由于界面 两侧为碳的过饱和非平衡组织，在连接初期，新相在连接界 面处沿接头界面生长，在横向扩展生长的同时，界面受化学 诱发晶界迁移效应沿纵向生长，这种纵向生长对于实现接头 空隙快速闭合、提高接头强度是有利的。而对于平衡状态下 的同质扩散连接则不能形成该类界面迁移。因此，根据此原 理，利用激光表面熔凝或熔覆的方法，将预连接表面改性为
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没有实现连接结合的区域，呈无断裂形貌的坑状，说明杂质 颗粒在连接过程中对界面迁移有一定的钉扎作用，阻碍了界 面迁移。 超塑变形过程控制界面迁移 目前，研究者们开始关注扩散连接中材料的超塑特性。 超细等轴组织在扩 散 连 接 中 往 往 表 现 出 良 好 的 超 塑 变 形 能 力 ， 它通过晶界滑动和晶粒倾转加速了连接初期空隙的闭合。贺
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摘要：发现并研究了扩散连接过程中 ! 种主要界面迁移形式： "7 化学诱发晶界迁移 ； #7 再 结 晶 过 程 控 制 界 面 迁 移 ； $7 超 塑 变 形 过 程 控制界面迁移。建立了一个球状晶体生长物理模型来讨论扩散连接界面迁移中杂质的行为， 并讨论了滞留界面的杂质对连接的断裂 形貌和力学性能的影响。 关键词：扩散连接；界面迁移；机制 中图分类号： ?,)(!7@ 文献标识码： A