擴散焊接

近年來隨着材料科學的發展，新材料不斷湧現，在生產應用中，經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、非晶態材料及單晶合金等，用傳統的熔焊方法，很難實現可靠的連接。而一些特殊的高性能構件的製造，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，這用傳統的熔焊方法也難以實現。為了適應這種要求，近年來作為固相焊接方法之一的擴散焊接技術引起了人們的重視，成為焊接領域的研究熱點，正在飛速發展。這種技術已廣泛應用於異種材料的焊接，其中，異種金屬，陶瓷/ 金屬異種材料焊接構件在航空航天領域具有廣泛的應用前景 ^[1]  。

擴散焊接是壓焊的一種，它是指在相互接觸的表面，在高温壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發生塑性變形，經一定時間後結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温度作用下，總有一些點首先達到塑性變形，在持續壓力的作用下，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，形成牢固的結合層;第3 階段是在接觸部分形成的結合層，逐漸向體積方向發展，形成可靠連接接頭。

當然，這3 個過程並不是截然分開的，而是相互交叉進行，最終在接頭連接區域由於擴散、再結晶等過程形成固態冶金結合，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，同時應考慮界面生成物的性質。

擴散焊接的參數主要有:温度、壓力、時間、氣體介質、表面狀態和中間層的選擇等。其中最主要的是温度、壓力、時間。温度影響被焊材料的屈服強度和原子的擴散行為，對消除空隙起着決定性作用，擴散温度的經驗公式為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生塑性變形，使之達到緊密接觸狀態，並提供變形能為原子擴散創造條件。所選壓力通常保持在稍低於所選温度下的屈服應力，一般為3～10MPa 。形成接頭所需保温時間與接頭的組織和成分的均勻化密切相關，主要取決於連接材料的冶金特性及焊接時的温度和壓力，一般需幾分鐘到幾個小時。

近幾年興起的放電等離子燒結技術( SparkPlasma Sintering ，簡稱SPS) ，具有低温、快速、組織均勻的特點，已引起國外(尤其是日本) 材料科學與工程界的極大興趣。SPS 系統除成功地應用於梯度功能材料(FGM) 、金屬基複合材料(MMC) 、纖維增強複合材料( FRC) 、多孔材料、高緻密度、細晶粒特種新材料的製備和硬質合金的燒結外，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用。日本的深谷保博等人採用SPS 技術擴散焊接Al2O3 陶瓷和SUS304 不鏽鋼， 有限元方法(FEM) 彈塑性分析表明:脈衝大電流加熱連接有助於緩和Al2O3 中的殘餘應力 ^[2]  。

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，並形成固態連接接頭。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生裂紋的材料(如Ni 基高温合金和硬Al 等)的連接；

(2) 可有效連接異類材料，例如Cu 與Al 、Al 與不鏽鋼、陶瓷與可伐合金、石墨與耐熱鋼、B/Al 複合材料與Ti 合金等。特別適用於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。在擴散焊接技術研究與實際應用中，有70 %涉及到異種材料的連接；

(3) 可用於需要大面積結合的零部件、層疊構件、中空型構件、多孔性或具有複雜內部通道的構件(如渦輪葉片和射流元件等) 、封閉型內部結合件(如蜂窩壁板) 以及其它焊接方法可行性差的零部件的製造；

(4) 擴散焊接為整體加熱，構件變形小，尺寸精度高；

(5) 無環境污染，易於自動化。

近幾年來，隨着Ti 合金、Al 合金、Ni 基高温合金、不鏽鋼、金屬間化合物、金屬基複合材料和陶瓷等材料的超塑性相繼發現，以及超塑成形/ 擴散連接(SPF/ DB) 組合工藝的發展及推廣應用，大大拓寬了擴散焊接應用範圍。現在擴散焊接已成為Ti 合金、Al 合金、Ni 基高温合金等超塑性材料獲得近無餘量構件最有前途的連接方法，在減輕航空航天構件質量和降低製造成本方面顯示了巨大潛力，被認為是21 世紀航空航天大型複雜結構件高效率比製造技術的重要組成，目前國內外正在進行更深入的研究 ^[3]  。

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

(1) 焊接接頭的質量好，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；

(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(温度、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，其密度介於基體金屬之間，因而不會造成接頭處密度值的突降。

異種金屬擴散焊接複合構件在航空航天領域的應用日益廣泛，如先進飛機上AISI4340 與In2conel718 合金連接的渦輪轉子、高性能液體火箭發動機推力室Cu 合金、Nb 合金與耐熱鋼的連接，航天飛機發動機裝置上Ti 合金與不鏽鋼的連接等都採用了擴散焊接技術。

對於鈦- 鋼異種金屬複合結構，由於鈦與不鏽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。又由於二者的線膨脹係數相差較大，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應力。由此，必然在焊縫中形成裂紋。因此，採用擴散焊接方法連接鈦與不鏽鋼較為適宜。孫榮祿等人對其的擴散焊接進行了研究，結果表明:

(1) 鈦合金TC4 與不鏽鋼1Cr18Ni9Ti 直接擴散焊時，由於母材組元的相互擴散，在結合面附近形成了金屬間化合物層而導致接頭脆斷；

(2) 採用釩+ 銅作過渡金屬，可獲得鈦合金與不鏽鋼的牢固連接。最佳規範參數為:焊接温度(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- 不鏽鋼接頭的性能與軟質夾層銅的厚度有關。當銅的厚度為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，當界面上有脆性的金屬間化合物產生時，接頭往往表現出較差的力學性能。因此，研究並建立接頭界面區金屬間化合物相的生成和成長行為的數學模型對擴散連接過程控制有非常重要的理論及現實意義。何鵬等人根據擴散理論，指出界面處生成相的動力學驅動力取決於擴散偶中組元自身的特性，生成相的組元及比例應按原子擴散通量比優先生成。作者從動力學及熱力學角度出發，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於形成脆性化合物。從研究現狀來看，主要是採用過渡金屬作隔離層，但這給實際生產帶來很大困難。今後的主要任務是研究焊縫中金屬間化合物的形成規律，以提高異種金屬接頭性能 ^[2]  。

1.陶瓷/ 金屬焊接的主要困難

在先進的製造業中，陶瓷/ 金屬連接構成的複合構件可以獲得金屬、陶瓷性能互補的優勢，滿足現代工程的需要。例如由陶瓷和金屬組成的渦輪軸(原來由鎳基耐熱合金製造) 可減少慣性34 % ，加速響應時間縮小36 %。在這些構件中，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温強度也成為急待解決的技術關鍵。

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合在一起，穩定性很高。陶瓷的相組成比金屬要複雜得多，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) 它們的結晶結構不同，導致熔點極不相同；

(2) 陶瓷晶體的強大鍵能使元素擴散極困難；

(3) 它們的熱膨脹係數相差懸殊，導致接頭產生很大熱應力，會在陶瓷側產生裂紋;

(4) 結合面產生脆性相、玻璃相會使陶瓷性能減弱。

2.陶瓷/ 金屬的擴散焊接現狀

擴散焊接適用於各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點是接頭質量穩定，連接強度高，接頭高温性能和耐腐蝕性能好。因此，對於高温和耐蝕條件下的應用來講，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鏽鋼進行直接擴散焊接。由於材料之間的相互反應和擴散，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 陶瓷與奧氏體不鏽鋼之間沒有形成韌性層，因而Sialon與鐵素體不鏽鋼的連接比奧氏體不鏽鋼成功得多。

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係數不同而引起的殘餘應力以及控制界面反應，抑制或改變界面反應產物以提高接頭性能，常採用中間層:

(1) 為緩解接頭的殘餘應力，中間層可採用單一的軟金屬，也可採用多層金屬。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餘應力；

(2) 從控制界面反應出發，可以選擇活性金屬中間層，也可以採用粘附性金屬中間層。活性金屬中間層有V ， Ti ，Nb ， Zr ，Hf ，Cu - Ti 及Ni2Cr 等，它們能與陶瓷相互作用，形成反應產物，並通過生成的反應產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，但可與陶瓷組元相互擴散形成擴散層。

研究發現，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係對接頭斷裂能量的影響。同樣，採用金屬Nb (箔片) 做中間緩衝層，對SiC 陶瓷和SUS304 不鏽鋼也進行了擴散焊接，接頭強度穩定在100MPa 以上。

近年來，採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，如果陶瓷表面不經任何處理，陶瓷/ 金屬焊接接頭在冷卻過程中，陶瓷周圍將產生應力極大值。為了減少殘餘應力和提高接頭強度，可對陶瓷表面預先進行宏觀幾何學處理(a modified macrogeometry) ，殘餘應力將位於被金屬填充的被連接陶瓷表面的凹槽中，連接區的周圍就沒有應力集中。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餘應力的貢獻並沒有明顯不同。

陶瓷/ 金屬複合構件在航空航天領域具有廣闊的應用前景，但由於影響陶瓷/ 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量，這些問題有待進一步研究。

擴散焊接技術是一門邊緣科學，涉及材料、擴散、相變、界面反應、接頭應力應變等各種行為，工藝參數眾多，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，為此人們試圖藉助計算技術，對接頭行為進行數值模擬，以便找到共同規律，對擴散連接過程及質量進行預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層形成的模擬；

(3) 接頭變形及應力行為的模擬。

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”，其區別在於前者必伴有位錯的滑移，後者則無需位錯的滑移。

2.接頭元素擴散與反應層形成的模擬

目前，接頭元素擴散與反應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層形成機理是指原子在接頭界面處的傳輸、界面結構的形成條件和形成過程，主要涉及反應熱力學和反應動力學等內容。對此進行的研究，不但可以探明反應進行的可能性，而且可以確定反應進行的快慢程度，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，哈爾濱工業大學的何鵬以費克第二定律為基礎對此進行了研究並建立了擴散過程中的元素濃度分佈模型。對於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測和解釋，只是有一個大家趨於一致的看法，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，在晶體結構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，並轉向正常的正向生長;當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.接頭變形及應力行為的模擬

擴散連接接頭應力模擬研究主要集中在陶瓷/ 金屬連接件中，常採用解析方法和有限元方法進行分析計算，並以計算結果作為緩解措施的依據。

但是由於在對擴散連接接頭的殘餘應力分析中，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層，而此反應層是影響接頭殘餘應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果的準確性，有待開展更加深入細緻的研究工作 ^[1]  。

異種材料的擴散焊接是一門綜合性技術，涉及範圍廣，學科交叉性強。儘管人們在這方面進行了大量的工作，也取得了顯著的成果，但在界面反應的研究、殘餘應力分析、接頭性能評定及連接工藝等方面還有待深入研究 ^[3]  。