扩散连接理论课件

主要内容：

➢材料的连接特性

➢扩散连接原理

➢扩散连接接头形式及材料的表面处理➢液相扩散连接

➢扩散连接接头的热应力

1.材料的扩散连接性

不同材料在给定的连接工艺条件下，形成优质接头主要取决于被连接材料的物理性质、化学性质、化学成分和工艺措施。异种材料的连接性还与其互溶性、形成脆性化合物性能有关。

1.1材料晶体类型与性质

1.2材料连接性与溶解度的关系

1.3材料连接性与原子半径的关系

1.4材料连接性与元素电负性的关系

1.5材料连接性与相图关系

1.1材料晶体类型与性质

a.离子型：离子键结合力很大，所以这种晶体的硬度高、强

度大、熔沸点较高、挥发性和热膨胀系数较小，但脆性大；

很难产生自由移动的电子，所以是良好的绝缘体。

b.原子型：原子键结合力通常比离子键强，所以这种晶体的

强度硬度高，脆性大、熔沸点高、挥发性低，结构较稳定，导电较差。

c.分子型：分子间作用力小，一般这种晶体熔点较低。

d.金属型：金属键无方向性，而且这种晶体一般为排列紧密，

对称性高的结构，如bcc、fcc、hcp，因此它具有良好的导电、导热性和塑、韧性。

表1.1

四种类型晶体性质

表1.2 三种典型金属结构的特

点

结构特点

晶体结构类型

fcc

bcc hcp

点阵常数

a

a

原子半径R 晶胞内原子数426配位数12812致密度

0.74

0.68

0.74

1.2材料连接性与溶解度的关系

晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。如果两组元的晶体结构类型不同，组元间的溶解度只能是有限的。一般，两种元素的结构类型越接近，溶解度越大，反之，溶解度越小。

异种材料连接时，若晶体结构相同，晶格参数相近，则溶解度好，连接性好。例如：Al、Ni、Cu 虽然都是面心立方结构，但由于Al与Ni、Cu晶格常数相差超过了10%,他们之间的连接性不好，易产生脆性的金属间化合物。

•

周期表的原子和离子的相对大小：

周期表的同一族中，相邻元素，同一周期中相邻元素容易进行扩散连接。

一般，原子半径差小于10%，界面形成固溶体，接头具有好的力学性能；当在10%~15%范围内，界面会产生金属间化合物，力学性能变差，但仍能进行扩散焊接。

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1.4 材料连接性与元素电负性的关系

电负性：

用来衡量原子吸附能力的参数，电负性越强，吸引电子能力越强。

溶质与溶剂之间的电负性差越大，越倾向于生成化合物而不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定，固溶体的溶解度就越小。只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度。一般，金属元素的电负性小于2.0，非金属元素大于2.0。

电负性差别较大的金属元素易形成金属

间化合物，同一族中相近的元素易形成固溶体。同一周期中，处在相近族或相近周期中的元素容易进行扩散连接，而且接头性能好。

注意：对于B、C和N元素，虽然它们的电负性与金属元素电负性值差别很大，但由于其原子半径小，也能与金属形成间隙式固溶体，并且很容易扩散。一般来讲，溶质与溶剂元素的原子半径比小于0.59时，可以形成间隙式固溶体。

1.5材料连接性与相图关系

相图是描述系统的状态、温度、压力及元素成分之间关系的一种图解，利用相图可以分析不、同材料在不同温度下存在哪些相以及各相的相对数量、成分随温度而发生的变化。

通过相图，我们可以控制化合物的数量、分布形态、厚度等因素来提高焊接接头的力学性能。

图1.1 典型的二元合金相图

5.2 扩散连接原理

一、扩散连接的定义及特点

扩散连接（或称扩散焊）是指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，局部发生塑形变形，原子间产生相互扩散，在界面形成新的扩散层，从而形成可靠连接的接头。

扩散焊是在高温下对工件施加压力，但不产生可见变形和相对移动的固态焊接方法，可以在真空或保护气氛中进行。在真空条件下进行的扩散焊称为真空扩散焊。

扩散焊特点

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）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。

4）精度高，变形小，精密接合。

5）可以进行大面积板及圆柱的连接。

6）采用中间层可减少残余应力。

缺点:

1）无法进行连续式批量生产。

2）时间长，成本高。

3）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。

扩散连接过程

扩散连接过程大致分为物理接触、接触表面的激活、扩散及形成接头三个过程（亦称三个阶段）。

第一阶段: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:接触的表面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。

第三阶段: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

a)凹凸不平的初始接触b)第一阶段：变形和部分界面的形成c)第二阶段：元素扩散、和反和晶界迁移d)第三阶段：体积扩散及微孔消除

a)b)

c)

d)