扩散连接技术在异种材料连接中的运用

西安理工大学

研究生课程论文/研究报告

课程名称：扩散与固态相变

课程代号：

任课教师：赵康

论文/研究报告题目：扩散连接技术在异种材料连接中的运用

完成日期：2012 年10 月30 日

学科：

学号：1208050417

姓名：刘明志

成绩：

扩散连接技术在异种材料连接中的运用

摘要：近年来，新材料在生产中的应用，经常遇到这些材料本身或与其他材料的连接问题。一些新材料如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金等的可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可靠的连接。随着技术的发展，一些特殊的高性能构件的制造，往往要求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，这也是传统熔焊方法难以实现的，现在不但要连接金属，而且要连接非金属，或金属与非金属。因此，连接所涉及的范围远远超出传统熔焊的概念。为了适应这种要求，近年来作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重视，成为连接领域新的研究热点，正在飞速发展。本文主要介绍了扩散连接技术的原理以及影响扩散连接性能的诸因素，为分析研究具体的异种材料的扩散连接提供理论依据。

关键词：扩散连接、固相扩散、瞬时液相扩散、中间层

扩散连接是在一定的温度和压力下，经过一定时间，连接界面原子间相互扩散，实现的可靠连接。

1扩散连接方法特点

1）扩散连接的优点主要有：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；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；可以实现难焊材料的连接，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；精度高，变形小，精密接合；可以进行大面积板及圆柱的连接；采用中间层可减少残余应力。

2）扩散连接的缺点：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；设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。

3）扩散连接的分类：

2扩散连接的原理

扩散连接也是压力焊一种变形，与常用压力焊方法（冷压焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊）相同的是在连接过程中要施加一定的压力，不同的主要在于温度-压力强度及过程的持续时间。扩散连接是零件整体连接的方法，这种连接接头是在原子水平上形成的，它是相互接触的表面，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，经一定时间后保证结合层原子间相互扩散，形成整体水平上的可靠连接。

2.1固相扩散连接的原理

固相扩散连接主要由以下三个阶段完成：

第一阶段为物理接触阶段，这是保证整个表面都可靠接触，只有接触面达到一定的距离，原子间才能相互作用形成原子间的结合，才能形成可靠的连接。在高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面逐渐增大，而达到整个面的可靠接触。

第二阶段则是接触表面的激活阶段，物理接触面积逐渐扩大，在接触界面的某些点处形成活化中心，在这个区域可以进行局部化学反应。接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。

第三阶段是形成可靠接头阶段，在接触的部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。扩散连接的三阶段模型示意图如图2：

上述过程相互交叉进行，最终在连接界面处由于扩散、再结晶等生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠的连接接头。该过程不但应考虑扩散过程，同时应考虑界面生成物的性质，如性能差别较大的两种金属，在高温长时间扩散时，界面极易生成脆性金属间化合物，而使接头性能变差。

2.2液相扩散连接基本原理

液相扩散连接方法自20世纪50年代以来，在弥散强化高温合金、纤维增强复合材料、异种金属材料以及新型材料的连接中得到了大量应用。该方法也称瞬时液相扩散连接（Transient Liquit Phase），通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。瞬时液相扩散连接过程示意图如下图3所示。

a)形成液相b)低熔点元素向母材扩散c)等温凝固d)等温凝固结束e)成分均匀化

液相扩散连接的过程主要由三个阶段完成：

第一阶段是液相的生成，将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施加一定的压力，或依靠工件自重使相互接触。然后在无氧化或无污染的条件下加热，当加热到连接温度TB时，形成共晶液相（上图a）。

第二阶段是等温凝固过程，液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开始保温，使液-固相之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内（图b），母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间推进（图c）。随着保温时间的延长，接头中的液相逐渐减少，最后形成接头（图d）。

第三阶段是成分均匀化，等温凝固形成的接头，成分很不均匀。为了获得成分和组织均匀的接头，需要继续保温扩散（图e）

2.3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，拉伸变形可以超过100％、甚至达到数千倍，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。用这种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，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。

3扩散连接参数选择

扩散连接参数主要有温度、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统筹考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用。

1、连接温度

连接温度T越高，扩散系数愈大，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触所需的压力愈小。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T≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度的选择，常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。

2、保温时间

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，保温时间就将以平方的速度增长。实际扩散连接工艺中保温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，保温时间越短越好。缩短保温时间，必须相应提高温度与压力。接头强度一般是随时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，延伸率和冲击韧性与保温扩散时间的关系也与此相似。

3、连接压力

扩散连接时的压力主要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。压力愈大，温度愈高，紧密接触的面积也愈多。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。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。

4、环境气氛

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。真空中的材料在温