擴散焊接理論研究

擴散焊接技術(shù)是一門邊緣科學(xué)，涉及材料、擴散、相變、界面反應(yīng)、接頭應(yīng)力應(yīng)變等各種行為，工藝參數(shù)眾多，雖然已進行了大量的試驗研究，但卻對各種材料的連接機理尚未有明確的認識，為此人們試圖借助計算技術(shù)，對接頭行為進行數(shù)值模擬，以便找到共同規(guī)律，對擴散連接過程及質(zhì)量進行預(yù)測與實時控制對擴散連接接頭行為的模擬，主要有3 個方面:

(1) 界面孔洞消失過程的機理模擬，即物理接觸行為的模擬；

(2) 接頭元素擴散與反應(yīng)層形成的模擬；

(3) 接頭變形及應(yīng)力行為的模擬。

1.界面孔洞消失過程的機理

界面孔洞消失過程即界面緊密接觸的過程是在塑性變形機理、粘性變形機理、界面擴散機理及體積擴散機理的共同作用下實現(xiàn)的。

從大類又可分為以塑性流動為主體的“變形機理”和以原子擴散流束為主體的“擴散機理”，其區(qū)別在于前者必伴有位錯的滑移，后者則無需位錯的滑移。

2.接頭元素擴散與反應(yīng)層形成的模擬

目前，接頭元素擴散與反應(yīng)層形成的模擬主要針對異種材料進行。接頭元素擴散與反應(yīng)層形成機理是指原子在接頭界面處的傳輸、界面結(jié)構(gòu)的形成條件和形成過程，主要涉及反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)等內(nèi)容。對此進行的研究，不但可以探明反應(yīng)進行的可能性，而且可以確定反應(yīng)進行的快慢程度，這對擴散連接工藝的制定是非常有益的。合金元素的擴散決定了材料間的原子擴散距離以及接頭處的均勻化程度，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的何鵬以費克第二定律為基礎(chǔ)對此進行了研究并建立了擴散過程中的元素濃度分布模型。對于異種材料擴散連接時金屬間化合物的形成機理，到目前為止還沒有一個理論能完全準確地預(yù)測和解釋，只是有一個大家趨于一致的看法，即擴散連接中金屬間化合物的形成和生長過程的初始階段主要包括:接觸金屬以不同的速度進行互擴散，在晶體結(jié)構(gòu)缺陷周圍形成過飽和固溶體，在含擴散元素濃度高的缺陷區(qū)域形成新相晶核;金屬間化合物晶核沿接頭界面橫向生長，長大的金屬間化合物連成整體，并轉(zhuǎn)向正常的正向生長;當(dāng)生長到一定厚度時開始在其界面上形成第2 種金屬間化合物的晶核:第1 種金屬間化合物層進一步長大，第2 種金屬間化合物橫向生長，連成整體。

3.接頭變形及應(yīng)力行為的模擬

擴散連接接頭應(yīng)力模擬研究主要集中在陶瓷/ 金屬連接件中，常采用解析方法和有限元方法進行分析計算，并以計算結(jié)果作為緩解措施的依據(jù)。

但是由于在對擴散連接接頭的殘余應(yīng)力分析中，無論是解析法還是有限元法，幾乎都未考慮材料間擴散過程中所形成的反應(yīng)層，而此反應(yīng)層是影響接頭殘余應(yīng)力及接頭性能的極其重要的因素，因而，其計算模型在很大程度上降低了分析結(jié)果的準確性，有待開展更加深入細致的研究工作 。

擴散焊接異種金屬

焊接異種金屬的方法很多，主要有熔焊、固相壓力焊、熔焊- 釬焊及液相過渡焊等，這些方法均有各自的優(yōu)勢和局限性。而擴散焊在焊接異種金屬方面，與其它方法相比，具有許多優(yōu)點。除整體變形小以外，還表現(xiàn)在:

(1) 焊接接頭的質(zhì)量好，接頭的顯微組織和性能與基體金屬接近或相同，焊縫中沒有熔化缺陷，也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)；

(2) 可焊接其它方法難以焊接的材料，不論是塑性差或熔點高的同種材料，還是相互不溶解或熔焊時會產(chǎn)生金屬間化合物的異種金屬材料，都能得到較牢固的焊接接頭；

(3) 擴散焊接的主要工藝參數(shù)(溫度、壓力、時間) 容易控制，操作過程簡單；

(4) 焊接接頭成分是2 種基體金屬的中間過渡成分，其密度介于基體金屬之間，因而不會造成接頭處密度值的突降。

異種金屬擴散焊接復(fù)合構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如先進飛機上AISI4340 與In2conel718 合金連接的渦輪轉(zhuǎn)子、高性能液體火箭發(fā)動機推力室Cu 合金、Nb 合金與耐熱鋼的連接，航天飛機發(fā)動機裝置上Ti 合金與不銹鋼的連接等都采用了擴散焊接技術(shù)。

對于鈦- 鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于鈦與不銹鋼基體鐵的晶格類型不同，原子半徑相差較大，相互溶解度極小，在焊縫中形成大量的金屬間化合物TiFe 和TiFe2 ，從而使焊縫變脆。鈦是強碳化物形成元素，與鋼中的碳形成脆性的TiC ，進一步增加了焊縫的脆性。又由于二者的線膨脹系數(shù)相差較大，在焊縫加熱和冷卻過程中變形量不同，在焊接接頭中形成較大的內(nèi)應(yīng)力。由此，必然在焊縫中形成裂紋。因此，采用擴散焊接方法連接鈦與不銹鋼較為適宜。孫榮祿等人對其的擴散焊接進行了研究，結(jié)果表明:

(1) 鈦合金TC4 與不銹鋼1Cr18Ni9Ti 直接擴散焊時，由于母材組元的相互擴散，在結(jié)合面附近形成了金屬間化合物層而導(dǎo)致接頭脆斷；

(2) 采用釩 銅作過渡金屬，可獲得鈦合金與不銹鋼的牢固連接。最佳規(guī)范參數(shù)為:焊接溫度(T) 為900～950 ℃，焊接比壓力( P)為5～10MPa ，焊接時間(t) 為20～30min ；

(3) 鈦合金- 釩- 銅- 不銹鋼接頭的性能與軟質(zhì)夾層銅的厚度有關(guān)。當(dāng)銅的厚度為0. 02mm ，接頭的強度可達540MPa 左右。

由上可知，在異種材料擴散連接的接頭中，當(dāng)界面上有脆性的金屬間化合物產(chǎn)生時，接頭往往表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能。因此，研究并建立接頭界面區(qū)金屬間化合物相的生成和成長行為的數(shù)學(xué)模型對擴散連接過程控制有非常重要的理論及現(xiàn)實意義。何鵬等人根據(jù)擴散理論，指出界面處生成相的動力學(xué)驅(qū)動力取決于擴散偶中組元自身的特性，生成相的組元及比例應(yīng)按原子擴散通量比優(yōu)先生成。作者從動力學(xué)及熱力學(xué)角度出發(fā)，提出了多組元擴散偶界面處的金屬間化合物生成相原則:通量- 能量原則。如鈦/ 鎳/ 鋼擴散焊接頭，鈦/ 鎳界面處金屬間化合物相的生成規(guī)律為Ni/ TiNi3/ TiNi/ Ti2Ni/ Ti 。

目前，異種金屬焊接的主要困難是在接頭中易于形成脆性化合物。從研究現(xiàn)狀來看，主要是采用過渡金屬作隔離層，但這給實際生產(chǎn)帶來很大困難。今后的主要任務(wù)是研究焊縫中金屬間化合物的形成規(guī)律，以提高異種金屬接頭性能 。

擴散焊接陶瓷金屬

1.陶瓷/ 金屬焊接的主要困難

在先進的制造業(yè)中，陶瓷/ 金屬連接構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)件可以獲得金屬、陶瓷性能互補的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代工程的需要。例如由陶瓷和金屬組成的渦輪軸(原來由鎳基耐熱合金制造) 可減少慣性34 % ，加速響應(yīng)時間縮小36 %。在這些構(gòu)件中，金屬和陶瓷的可靠連接變得非常重要，接頭的機械性能及其高溫強度也成為急待解決的技術(shù)關(guān)鍵。

陶瓷是金屬與非金屬元素的固體化合物，它與金屬有相似之處，也有晶粒聚集體、晶粒和晶界。但它與金屬有本質(zhì)上的不同，它不含有大量自由電子，而是以離子鍵、共價鍵或二者的混合鍵結(jié)合在一起，穩(wěn)定性很高。陶瓷的相組成比金屬要復(fù)雜得多，其顯微組織有晶體相、玻璃相和氣相，所以其性能與金屬不同，故在陶瓷與金屬的焊接上存在以下困難:

(1) 它們的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致熔點極不相同；

(2) 陶瓷晶體的強大鍵能使元素擴散極困難；

(3) 它們的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，導(dǎo)致接頭產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，會在陶瓷側(cè)產(chǎn)生裂紋;

(4) 結(jié)合面產(chǎn)生脆性相、玻璃相會使陶瓷性能減弱。

2.陶瓷/ 金屬的擴散焊接現(xiàn)狀

擴散焊接適用于各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點是接頭質(zhì)量穩(wěn)定，連接強度高，接頭高溫性能和耐腐蝕性能好。因此，對于高溫和耐蝕條件下的應(yīng)用來講，擴散焊接是陶瓷與金屬連接最適宜的方法。

P. Hussain 等對Sialon 陶瓷與鐵素體和奧氏體不銹鋼進行直接擴散焊接。由于材料之間的相互反應(yīng)和擴散，測試分析表明:Sialon 與鐵素體鋼之間形成了韌性很好的界面，從而緩和了Sialon與鐵素體鋼之間的熱性能不匹配。而Sialon 陶瓷與奧氏體不銹鋼之間沒有形成韌性層，因而Sialon與鐵素體不銹鋼的連接比奧氏體不銹鋼成功得多。

在陶瓷與金屬的擴散焊接中，為緩解因陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)不同而引起的殘余應(yīng)力以及控制界面反應(yīng)，抑制或改變界面反應(yīng)產(chǎn)物以提高接頭性能，常采用中間層:

(1) 為緩解接頭的殘余應(yīng)力，中間層可采用單一的軟金屬，也可采用多層金屬。軟金屬中間層有Ni ，Cu 及Al 等，它們的塑性好，屈服強度低，能通過塑性變形和蠕變變形來緩解接頭的殘余應(yīng)力；

(2) 從控制界面反應(yīng)出發(fā)，可以選擇活性金屬中間層，也可以采用粘附性金屬中間層?；钚越饘僦虚g層有V ， Ti ，Nb ， Zr ，Hf ，Cu - Ti 及Ni2Cr 等，它們能與陶瓷相互作用，形成反應(yīng)產(chǎn)物，并通過生成的反應(yīng)產(chǎn)物使陶瓷與被連接金屬牢固地連接在一起。粘附性金屬中間層有Fe ，Ni 和Fe - Ni 等，它們與某些陶瓷不起反應(yīng)，但可與陶瓷組元相互擴散形成擴散層。

研究發(fā)現(xiàn)，將粘附性金屬與活性金屬組合運用，所取得的效果更好。劉偉平等人研究了加Nb 膜中間層對Cu/ Al2O3 界面接合強度的影響，結(jié)果表明:Nb 膜中間層的加入，顯著提高了Cu/ Al2O3 擴散焊接頭的斷裂能量。在此基礎(chǔ)上，作者還以單晶α- Al2O3 陶瓷和單晶Cu 為母材，研究了Cu/Al2O3 擴散焊接頭以及帶Nb 膜中間層的Cu/ Nb/Al2O3 擴散焊接頭界面晶體位向關(guān)系對接頭斷裂能量的影響。同樣，采用金屬Nb (箔片) 做中間緩沖層，對SiC 陶瓷和SUS304 不銹鋼也進行了擴散焊接，接頭強度穩(wěn)定在100MPa 以上。

近年來，采用功能梯度材料作中間層焊接陶瓷/ 金屬，焊接接頭性能得到更大程度的改善。此外，為改進陶瓷的焊接性，預(yù)先對陶瓷表面進行金屬化，再擴散焊接陶瓷與金屬，接頭強度也大大提高，如AlN 與Cu 和FeNi42 的連接。Dr.2Ing.Ulrich Draugelates 等人認為，如果陶瓷表面不經(jīng)任何處理，陶瓷/ 金屬焊接接頭在冷卻過程中，陶瓷周圍將產(chǎn)生應(yīng)力極大值。為了減少殘余應(yīng)力和提高接頭強度，可對陶瓷表面預(yù)先進行宏觀幾何學(xué)處理(a modified macrogeometry) ，殘余應(yīng)力將位于被金屬填充的被連接陶瓷表面的凹槽中，連接區(qū)的周圍就沒有應(yīng)力集中。有限元方法模擬表明:陶瓷被連接表面的不同的幾何形狀對緩解殘余應(yīng)力的貢獻并沒有明顯不同。

陶瓷/ 金屬復(fù)合構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于影響陶瓷/ 金屬擴散焊接的因素很多，諸如中間層的選擇、中間層厚度、被連接表面形狀等，都有可能影響擴散焊接頭的質(zhì)量，這些問題有待進一步研究。

擴散焊接不會引起零件的宏觀變形、熔化或零件的相對移動。在2 個配合表面之間可用或不用擴散輔助材料(即中間層材料) ，主要有以下幾個特點:

(1) 可直接連接同種金屬和非金屬，并形成固態(tài)連接接頭。連接同種金屬時，可獲得與基體金屬相同或接近的接頭強度。特別適合通常用熔焊易產(chǎn)生裂紋的材料(如Ni 基高溫合金和硬Al 等)的連接；

(2) 可有效連接異類材料，例如Cu 與Al 、Al 與不銹鋼、陶瓷與可伐合金、石墨與耐熱鋼、B/Al 復(fù)合材料與Ti 合金等。特別適用于零件厚度相差大的異種鑄鐵件、鍛件、粉末冶金件之間的連接。在擴散焊接技術(shù)研究與實際應(yīng)用中，有70 %涉及到異種材料的連接；

(3) 可用于需要大面積結(jié)合的零部件、層疊構(gòu)件、中空型構(gòu)件、多孔性或具有復(fù)雜內(nèi)部通道的構(gòu)件(如渦輪葉片和射流元件等) 、封閉型內(nèi)部結(jié)合件(如蜂窩壁板) 以及其它焊接方法可行性差的零部件的制造；

(4) 擴散焊接為整體加熱，構(gòu)件變形小，尺寸精度高；

(5) 無環(huán)境污染，易于自動化。

近幾年來，隨著Ti 合金、Al 合金、Ni 基高溫合金、不銹鋼、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料和陶瓷等材料的超塑性相繼發(fā)現(xiàn)，以及超塑成形/ 擴散連接(SPF/ DB) 組合工藝的發(fā)展及推廣應(yīng)用，大大拓寬了擴散焊接應(yīng)用范圍?，F(xiàn)在擴散焊接已成為Ti 合金、Al 合金、Ni 基高溫合金等超塑性材料獲得近無余量構(gòu)件最有前途的連接方法，在減輕航空航天構(gòu)件質(zhì)量和降低制造成本方面顯示了巨大潛力，被認為是21 世紀航空航天大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率比制造技術(shù)的重要組成，目前國內(nèi)外正在進行更深入的研究 。

擴散焊接是壓焊的一種，它是指在相互接觸的表面，在高溫壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)一定時間后結(jié)合層原子間相互擴散而形成整體的可靠連接的過程。擴散焊接過程大致可分為3 個階段，第1 階段為物理接觸階段，被連接表面在壓力和溫度作用下，總有一些點首先達到塑性變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面積逐漸擴大最終達到整個面的可靠接觸;第2 階段是接觸界面原子間的相互擴散，形成牢固的結(jié)合層;第3 階段是在接觸部分形成的結(jié)合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠連接接頭。

當(dāng)然，這3 個過程并不是截然分開的，而是相互交叉進行，最終在接頭連接區(qū)域由于擴散、再結(jié)晶等過程形成固態(tài)冶金結(jié)合，它可以生成固溶體及共晶體，有時生成金屬間化合物，形成可靠連接。焊接參數(shù)的選擇就是要控制這些因素，最終得到綜合性能良好的接頭，不但考慮擴散形成原子間的相互作用，同時應(yīng)考慮界面生成物的性質(zhì)。

擴散焊接的參數(shù)主要有:溫度、壓力、時間、氣體介質(zhì)、表面狀態(tài)和中間層的選擇等。其中最主要的是溫度、壓力、時間。溫度影響被焊材料的屈服強度和原子的擴散行為，對消除空隙起著決定性作用，擴散溫度的經(jīng)驗公式為T = (0. 6～0. 8) Tm ，其中Tm 為被焊零件材料中的最低熔點。

壓力僅在焊接的第1 階段中是必要條件，加壓的目的是使連接處微觀凸起部分產(chǎn)生塑性變形，使之達到緊密接觸狀態(tài)，并提供變形能為原子擴散創(chuàng)造條件。所選壓力通常保持在稍低于所選溫度下的屈服應(yīng)力，一般為3～10MPa 。形成接頭所需保溫時間與接頭的組織和成分的均勻化密切相關(guān)，主要取決于連接材料的冶金特性及焊接時的溫度和壓力，一般需幾分鐘到幾個小時。

近幾年興起的放電等離子燒結(jié)技術(shù)( SparkPlasma Sintering ，簡稱SPS) ，具有低溫、快速、組織均勻的特點，已引起國外(尤其是日本) 材料科學(xué)與工程界的極大興趣。SPS 系統(tǒng)除成功地應(yīng)用于梯度功能材料(FGM) 、金屬基復(fù)合材料(MMC) 、纖維增強復(fù)合材料( FRC) 、多孔材料、高致密度、細晶粒特種新材料的制備和硬質(zhì)合金的燒結(jié)外，在多層金屬粉末的同步焊接、金屬粉末的焊接以及固體- 粉末- 固體的焊接等方面也已有廣泛的應(yīng)用。日本的深谷保博等人采用SPS 技術(shù)擴散焊接Al2O3 陶瓷和SUS304 不銹鋼， 有限元方法(FEM) 彈塑性分析表明:脈沖大電流加熱連接有助于緩和Al2O3 中的殘余應(yīng)力 。

近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，在生產(chǎn)應(yīng)用中，經(jīng)常遇到新材料本身或與其它材料的連接問題。如陶瓷、金屬間化合物、非晶態(tài)材料及單晶合金等，用傳統(tǒng)的熔焊方法，很難實現(xiàn)可靠的連接。而一些特殊的高性能構(gòu)件的制造，往往需要把性能差別較大的異種材料，如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃等連接在一起，這用傳統(tǒng)的熔焊方法也難以實現(xiàn)。為了適應(yīng)這種要求，近年來作為固相焊接方法之一的擴散焊接技術(shù)引起了人們的重視，成為焊接領(lǐng)域的研究熱點，正在飛速發(fā)展。這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于異種材料的焊接，其中，異種金屬，陶瓷/ 金屬異種材料焊接構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 。

異種材料的擴散焊接是一門綜合性技術(shù)，涉及范圍廣，學(xué)科交叉性強。盡管人們在這方面進行了大量的工作，也取得了顯著的成果，但在界面反應(yīng)的研究、殘余應(yīng)力分析、接頭性能評定及連接工藝等方面還有待深入研究 。2100433B

將焊件緊密貼合﹐在一定溫度和壓力下保持一段時間﹐使接觸面之間的原子相互擴散形成聯(lián)接的焊接方法。影響擴散焊過程和接頭質(zhì)量的主要因素是溫度﹑壓力﹑擴散時間和表面粗糙度。焊接溫度越高﹐原子擴散越快。焊接溫度一般為材料熔點的0.5～0.8倍。根據(jù)材料類型和對接頭質(zhì)量的要求﹐擴散焊可在真空﹑保護氣體或溶劑下進行﹐其中以真空擴散焊應(yīng)用最廣。為了加速焊接過程﹑降低對焊接表面粗糙度的要求或防止接頭中出現(xiàn)有害的組織﹐常在焊接表面間添加特定成分的中間夾層材料﹐其厚度在0.01毫米左右。擴散焊接壓力較小﹐工件不產(chǎn)生宏觀塑性變形﹐適合焊后不再加工的精密零件。擴散焊可與其他熱加工工藝聯(lián)合形成組合工藝﹐如熱耗-擴散焊﹑粉末燒結(jié)-擴散焊和超塑性成形-擴散焊等。這些組合工藝不但能大大提高生產(chǎn)率﹐而且能解決單個工藝所不能解決的問題。如超音速飛機上各種鈦合金構(gòu)件就是應(yīng)用超塑性成形-擴散焊制成的。擴散焊的接頭性能可與母材相同﹐特別適合於焊接異種金屬材料﹑石墨和陶瓷等非金屬材料﹑彌散強化的高溫合金﹑金屬基復(fù)合材料和多孔性燒結(jié)材料等。擴散焊已廣泛用於反應(yīng)堆燃料元件﹑蜂窩結(jié)構(gòu)板﹑靜電加速管﹑各種葉片﹑葉輪﹑沖模﹑過濾管和電子元件等的制造。

參考書目

﹒Φ﹒卡札柯夫著﹐何康生﹑孫國俊譯﹕《材料的擴散焊接》﹐國防工業(yè)出版社﹐北京﹐1982。

不銹鋼、高溫合金、鈦合金、銅合金、鋁合金的擴散焊接成型。

(1)無中間層的擴散焊。金屬的擴散焊是靠被焊金屬接觸面的原子擴散來完成的，主要用于同種材料的焊接，對不產(chǎn)生脆性中間金屬的異種材料也可用此法焊接。

(2)有中間層的擴散焊。金屬的擴散焊是靠中間層金屬的擴散來完成的，可用于同種或異種金屬的焊接。異種金屬加中間層一般是為了防止接合處形成脆性中間金屬或減少兩金屬線膨脹系數(shù)的差異；同種金屬焊接加中間層，一般是為了在接合處形成所需性能的固溶體。

中間層可以是粉狀或片狀的。用真空噴涂或電鍍的方法加在焊接面上。