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)
二、扩散连接时的物理接触过程
材料的扩散连接表面应达到一定的表面粗糙度，以实现表面良好接触及克服表面氧化膜对扩散连接
的影响。

在扩散连接的第一阶段，必须从被连接界
面上清除掉吸附层和氧化膜，才能形成实际的接触。

从工艺的角度来说，在连接前和连接过程中是否能
将连接面上的氧化膜彻底清除是至关重要的。

1、物理接触及氧化膜去除
固相扩散连接时，被连接面度要经过仔细加工，表面应达到一定的光洁度，使扩散连接在较低的压力作用下达到被连接表面的良好接触。

连接时还要消除表面氧化膜对扩散过程的影响。

在一般的真空条件下，连接过程中氧化膜的消除有以下几种途径：
1）解吸：加热使金属表面的氧化物结构发生变化，提高真空度可使氧化物解吸的温度下降。

2）升华：当氧化物的饱和蒸气压高于该氧化物在气相中的蒸气分压时，在真空中的氧化膜可升华。

3）溶解：扩散连接时，由于界面间的相互作用，金属表面的氧化膜向基体中溶解，或利用母材中所含的合金元素发生还原反应。

4）表面变形去膜：如果金属与其氧化物的塑性、硬度、热膨胀系数相差很大，即使极其微小的变形也会破坏氧化膜的整体性而龟裂成碎片被除去。

5）化学反应：真空系统中残留的H2O、CO2等化学活性气体，会与被连接材料的表面发生氧化-还原反应。

常用金属材料在真空条件下，有以下三种类型的
去除氧化膜机制。

1）钛镍性这类材料扩散连接时，氧化膜的去除主要是靠在母材中产生溶解。

2）钢铁型经过清理后钢材表面的少量氧化膜，由于氧在基体中溶解量少，在扩散连接过程中形成氧化膜的聚集，在空隙内或者结合面上形成夹杂物。

夹杂物主要是Al 、Si 、Mn等元素的氧化物和硫化物。

3）铝合金型铝合金扩散连接时，微观接触的表面只有产生塑性变形，才能克服表面氧化膜的阻碍作用。

图5.7 氧化膜去除机制示意图
2、物理接触的形成
扩散连接时表面的物理接触(使表面接近到原子间力的作用范围之内)是形成连接接头的必要条件。

表面凹凸变形的接触面积，一般称为物理接触面积，它主要取决于材料的性质、连接温度和施加的压力。

扩散连接物理接触是依靠一种（或两种）被连接金属在接触处的塑性变形来实现的。

其变形速度的变化如图
5.8所示。

经过几秒后的加压以后，变形量也相应地降低2~3个数量级，并转入不稳定的流动阶段。

这时接触区域内的塑性变形取决于温度和压力，实际的接触面积可以达到名义接触面积的40%~70%。

实际接触面积的继续增长与材料稳定的流动过程有关。

比较该过程激活能量，可以初步估计出材料流动的倾向性。

图5.9给出了金属钛的物理接触面积于温度、时间之间的关系。

3、物理接触模型
p——压力；
m——常数；
E——激活能；
R ——波尔兹曼常数；
T——温度
值得注意的是，压力p虽然不随时间变化，但是因为接触面积逐渐变大，蠕变速度变慢，从而使物理接触程变慢。

上述公式对塑性好的材料较为吻合，对变性难的材料偏差较大。

在扩散连接的前期，物理吸附和化学吸附比较重要。

被连接材料在外界压力作用下，连接界面的元素应首先靠近并达到一定距离，才会形成范德华力作用的物理吸附。

实验研究表明，是否能在异种金属间形成原子键，首先
取决于异种金属中较硬金属表面的激活程度，也取决于所施加的压力大小。

其次，也应考虑材料间相互作用的物理化学特性、晶格类型、原子和离子半径的差别、互溶性、弹性模数比值等。

虽然这些因素不会妨碍建立原子键，但对连接过程的发展变化有影响，会使表层原子产生应力。

扩散连接的后期，被连接金属表面已被激活的原子间产
生各种相互作用。

这时原子的活动性和振动的振幅度增加了，还出现气体的解吸过程，由于原子间相互作用而产生的结合，能从接触面向金属内部扩散几个晶格参数的深度。

三、扩散连接时的界面反应
在异种材料，特别是金属与非金属或非金属与非金属材料连接时，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（也称生成
相或反应层）也逐渐长大。

当整个界面都发生化学反应时，生成相也也由不连续的粒状或者块状成长为层状（单层或
多层），形成良好的扩散连接接头。

界面进行化学反应主要有两种形式，即化合反应和置换反应。

化合反应的特性是形成单物质或化合物，其主要
应用是金属经过氧化层与陶瓷或玻璃进行连接，界面形成
各种尖晶石、硅酸盐及铝酸盐等氧化物。

置换反应式是以活波元素置换非活波元素，在界面形成新的反应产物。

例如，Al-Mg合金与玻璃或陶瓷连接时，界面发生置换反应，其反应机制如图5.12所示。

无论是化合反应还是置换反应，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。

1）无限固溶体
扩散连接具有无限互溶性的金属（如钢与镍）时，在界面上会产生成分不定的固溶区，固溶区的宽度与和时间有关。

均质的固溶体接温度连塑性很高，强度也高于基体金属。

2）有限固溶体
具有有限互溶度的金属（通常随着温度的上升，溶解度也相应变大，如铜与铁）扩散连接时，界面将产生浓度不同的固溶体区域。

该区域的厚度由连接规范参数（温度、时间及压力）决定，当接头中形成较厚的共晶体脆性层时，接头的塑性和强度将下降。

3）金属间化合物
某些异种金属在扩散能连接时，过渡区中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（如钢与铝、铜与钛、锆与镍等）。

金属间化合物形成的初
期，由于元素沿着晶粒边缘的扩散系数要比体扩散系数大得多（有时甚至大几个数量级），沿晶界扩散元素的浓度要比平均浓度高，固溶体先在晶界的局部地区产生过饱和，从而产生新相（金属间化合物）的“核”。

随着扩散的进行，新相的核不断扩大，变成金属间化合物的“岛”。

小“岛”不断扩大而连成一体形
成连续的新相层，形成过程如图5.13所示。

因金属间化合物很脆，使接头性能大为降低。

扩散连接时，为了提高的力学性能，必须对金属间化合物的种类、存在形态及厚度进行控制。

4）陶瓷与金属界面的脆性化合物
陶瓷和金属扩散连接时，由于两种材料的物、化性质差别非常大，界面容易产生化学反应，形成由二元化合物（碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等）、三元化合物和多元化合物组成的脆性层。

其详细反应过程参考第八章陶瓷与金属的界面反应与扩散；连接部分。

5.3扩散连接接头形式及材料的表面处理
一、材料的表面处理
扩散连接材料的表面应光滑平整，一般应先进行机械加工，去除污、锈等表面氧化物。

（1）机械加工
不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同；
不同的加工方法冷作硬化结果也不一样；
不同的加工方法的冷作硬化层厚度。

为去除机械加工产生的硬化层，待连接表面通常用化学侵蚀的方法清理。

化学侵蚀方法因被连接材料而异。

化学清洗时，工件侵蚀至露出金属光泽之后，应立即用水（或热水）冲净。

对某些材料可用真空烘烤、辉光放电、等离子轰击等方法清理表面。

（2）表面清理
待连接零件在扩散连接前的加工和存放过程中，被连接表面不可避免的形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。

在连接前需经过脱脂、去除表面氧化物及气体处理等工艺过程。

1）有机溶剂脱脂
2）碱液脱脂
3）电解脱脂
4）超声波脱脂
5）机械加工去膜
6）化学腐蚀去膜
7）离子轰击及表面改性去膜
对氧化性强的材料，最好是清理后直接进行扩散连接。

如需长时间放置，则应对待连接表面加以保护，如置于真空或保护气氛中。

二、扩散连接的接头形式
1、接头形式
由于扩散连接结构的千万变化，实际连接接头可能有各种形式。

扩散连接在接头形式上比熔化焊类型多，可进行难熔材料及复杂形状的接合。

平板、圆管、管、中空、T型及蜂窝结构均可进行扩散连接，实际生产中常用的接头形式如图5.14所示。

对于能产生超塑性的材料，可以在高温下用较低的压力同时实现成形和焊接，即超塑成形扩散连接
（SPF/DB）。

超塑成型扩散连接广泛应用于钛合金复杂结构件的制造。

例如，利用双相不锈钢中间层在1373K、20MPa压力下实现碳钢的扩散连接（见图5.15），当连接时间为10s时，可获得牢固的接头。

2、复合材料的扩散连接制造
在纤维强化复合材料的制造过程中，主要依靠扩散连接的办法进行加工，典型的制造方法如图5.16所示。

5.4 液相扩散连接
一.液相扩散连接过程
过渡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。

该种方法也称瞬时液相扩散连接，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（如图5.17）。

1.液相的生成
首先，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（约0.07MPa）,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，加热温度
稍高于形成共晶液相的温度，使母材与夹层材料之间发
生相互扩散，形成液相并填充整个接头缝隙（见图
5.17(a)）
2.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，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，最后形成接头（见
图5.17（a）、（b）、（c））。

等温凝固原理如图5.18所示，
成分为Co的材料加热到To温度时，
在A点形成液相。

由于温度保持
不变，低熔点元素成分将由A向
F方向变化，当成分达到D点时，
界面开始凝固，随着低熔点成
分的扩散，液相逐渐减少，当
成分到E点时，液相消失，界面
全部形成固相。

由于液相的凝固
过程是在保温中完成的，故称为等温凝固，而不像钎焊那样，熔融的液态钎料是在连续冷却过程中凝固的。

等温凝固过程实际上是液相向母材迁移、或两侧固相向中间液相夹层迁移的过程，等温凝固所需的时间可以通过计算求得。

3.成分均匀化
等温凝固形成的接头，成分尚很不均匀。

为了获得成分和组织均匀化的接头，需要继续保温扩散（见图5.17（e））。

这个过程可在等温凝固后继续保温扩散一次完成，也可以在冷却以后另行加热分段完成。

均匀化过程的温度和时间可根据对接头性能的要求选定。

二.扩散连接用中间层材料
扩散连接时中间层材料非常主要，除了能够无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间夹层材料进行扩散连接。

中间层材料不仅在液相扩散连接时使用，在固相扩散连接中应用得也比较广泛。

1.中间层的作用
（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作中间层，利用中间层的塑料变形和塑性流动，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）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，最好选用和母材不形成金属间化合物的第三
者材料，以便通过控制界面反应，改善材料的连
接性。

采用中间层材料进行扩散连接，还可以抑制
夹杂物的形成，促进其破碎或分解
（3）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
箔作中间层，连接温度只需要930℃。

（4）控制接头组织，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。

加入中间层后，由于中间层不能自由变形，接头的力学性能与中间层在受力过程中的取向及中间层厚度有关。

可采用强化系数表示接头强度的变化程度.接头强化系数与添加中间层的厚度有关，如表5.10所示，
实际应用时应尽可能选较薄的中间层。

表中的数值在厚度很大与很小时存在误差，但反应了中间层与试件相对厚度的变化。

2.中间层的选择
加中间层的目的是缓和接头的应力状态，使表面接触增加，改善连接性，此外，还防止两种不相容材料在扩散连接时生成脆性的金属间化合物。

（1）选择原则
1）容易塑性变形，熔点比母材低；
2）物理化学性能与母材差异较与被连接材料之间的差异小；
3）不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不希望出现的共晶相；4）不引起接头的电化学腐蚀。

（2）添加方法
1）填加薄金属垫片，对难以制成垫片的脆性材料可加工成非晶态箔片；
2）加粉末；
3）表面镀膜，如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、喷镀、离子注入等。

3.常用的中间层材料
（1）固相扩散连接用中间层材料
在固相扩散连接中，多用软质纯金属材料作中间层，常用的材料为Ti、Ni、C u、Al、Ag、Au及不锈钢。

例如Ni 基超合金扩散连接时采用Ni箔，Ti基合金扩散连接时采用Ti箔作中间层。

（2）液相扩散连接用中间层材料
液相扩散连接时，除了要求中间层具有上述性能以外，还要求中间层与母材润湿性好、凝固时间短、含有加速扩散的元素（如硼，铍、硅等）。

对于Ti基合金，可以使用含有Cu、Ni、Zr等元素的Ti基中间层。

对Al及其Al合金，可使用含有Cu，Si、Ag等元素的Al基中间层。

5.5扩散连接接头的热应力
异种材料连接时，由于热膨胀系数存在很大差异，当接头从连接温度冷却到室温或在不同温度区间都会在接头中产生残余应力。

残余应力的产生，直接影响接头的性能，甚至导致接头在冷却过程中发生破坏。

因此，对残余应力进行分析和测量，并在此基础上采取缓解措施是提高异种材料扩散连接接头性能的一个有效途径。

一、热应力的产生及影响因素
1.热应力的产生
热应力的产生主要与材料的物理特性、接合体的形状和温度分布有关。

图5.21给
出了各种材料纵弹性系数E
和线膨胀系数α的关系，一
般来讲，陶瓷材料的线膨胀系数小、弹性系数大，金属材料与此相反。