扩散连接解析课件

扩散连接

diffusionbonding

扩散连接特别适合异种金属材料、陶瓷、金属间化合物、非晶态及单晶合金等新材料的接合广泛应用于航空、航天、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域扩散连接

diffusionbondin2022/12/212定义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，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面形成了新的扩散层，从而形成可靠连接的接头。特点无铸造组织，无熔焊缺陷；实现难焊材料的连接；精度高，变形小；可进行大面积板及圆柱的连接；采用中间层可减少残余应力。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；投资大，工件尺寸受到限制。2022/12/172定义

扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的扩散连接；从是否产生液相角度又可分为固相扩散连接和液相扩散连接；从连接环境上，还可分为真空扩散连接和保护气氛环境下的扩散连接。扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的扩散1.1固相扩散连接基本原理

接头形成过程

材料连接时的物理接触过程

扩散连接时的化学反应

第一节扩散连接机理1.1固相扩散连接基本原理接头形成过程第一节扩2022/12/2151.1.1接头形成过程(1)物理接触阶段

高温下微观不平的表面，在外加力的作用下，局部接触点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，最终使整个接合面达到可靠接触。2022/12/1751.1.1接头形成过程(2)接触表面激活阶段不同材料的原子在高温下相互扩散，晶界发生迁移及微小孔洞消失，在界面形成不连续的结合层。(3)接头形成阶段

是在接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展，形成可靠边的连接接头。(2)接触表面激活阶段2022/12/2171.1.2物理接触过程1.1.2.1物理接触及氧化膜去处（1）扩散连接过程中氧化膜消除途径1）解吸2）升华3）溶解金属表面氧化膜的溶解或发生还原反应4）表面变形去膜金属与氧化膜性能相差较大5）化学反应真空中残留的气体与被连接材料表面发生反应2022/12/1771.1.2物理接触过程2022/12/218（2）常用金属材料去处氧化膜机制1）钛镍型主要是靠氧化膜在母材中的溶解2）钢铁型形成夹杂物3）铝合金型塑性变形使氧化膜破碎，或用还原性强的元素将氧化膜还原。2022/12/178（2）常用金属材料去处氧化膜机制2022/12/2191.1.2.2物理接触的形成

物理接触是形成连接接头的必要条件。依靠一种或两种被连接材料在接触处的塑性变形来实现的。接触面积的增加可以分为变形、流动和实际接触面积继续增加几个阶段。

加压初期，接触面积不到总面积的1-2%。经过几秒钟的加压后，变形量相应降低2-3个数量级，并转入不稳定的流动阶段。实际接触面积可以达到名义接触面积的40-75%。2022/12/1791.1.2.2物理接触的形成

形成实际接触的时间与温度和压力有关，约为1到几十分钟，实际接触面积可达到总面积的90%-95%。剩余的孔隙将在扩散过程中被填满。形成实际接触的时间与温度和压力有关，约为1到2022/12/21111.1.3扩散连接时的化学反应异种材料连接时，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逐渐增大。当整个界面都发生化学反应时，生成相也由不连续的粒状或块状成长为层状，形成良好的接头。扩散连接时，压力对反应源的数量有决定性的影响，温度和时间主要影响反应速度和生成相的成长。2022/12/17111.1.3扩散连接时的化学反应

无论是何种反应，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。

某些异种金属扩散连接时，过渡区中的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。金属间化合物形成初期，固溶体先在晶界的局部地区产生过饱和，从而形核。随着扩散的进行，变成金属间化合物的岛，进而形成连续的新相层。无论是何种反应，界面大多生成无限固溶体、有限固溶体1.2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（如钛合金晶粒尺寸小于3μm、变形速率10-3/s～10-5/s），拉伸变形可以超过100％，甚至达到1500％，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

1.2超塑成形扩散连接基本原理超塑性是指在

用这种新的热加工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，与常规方法相比质量小，刚度大，可减轻质量30％，降低成本50％，提高加工效率20倍.用这种新的热加工方法可以制造钛合金薄壁复

第二节扩散连接工艺

第二节扩散连接工艺2．1扩散连接的工艺特点

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)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)可以进行大面积极及圆柱的连接。

6)采用中间层可减少残余应力。2．1扩散连接的工艺特点优点：缺点

1)无法进行连续式批量生产

2)时间长，成本高

3)对接合表面要求严格

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。缺点1)无法进行连续式批量生产2．2扩散连接工艺参数选择

扩散连接参数主要:

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综合考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用2．2扩散连接工艺参数选择

扩散连接参数主2.2.1.连接温度

连接温度T越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触所需的压力越小。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≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度，常选择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。2.2.1.连接温度连接温度T越高，扩散系

固相扩散连接时，元素之间的互扩散引起化学反应，温度越高，反应越激烈，生成反应相的种类也越多。同时，在其他条件相同时，随着温度的增加，反应层厚度越厚。图11是SiC/Ti界面的反应层厚度与时间、温度的关系，从图中可知，连接时间相同时，提高温度可以大幅度增加接头反应层厚度固相扩散连接时，元素之间的互扩散引起化学反锡青铜与钛扩散连接时，温度在1073K（800℃）以下，即使施加很大的压力，接头强度仍然很低，主要原因是温度过低，界面处于活化状态的原子少，无法形成良好的接合界面。连接温度在1073～1093K范围内，接头强度随温度的上升而增加，在1093K时达到165MPa的最大强度值。但连接温度进一步增加，接头强度逐渐下降。原因在于，接合界面出现了脆性的金属间化合物，该化合物层随温度增加而变厚，从而降低了接头强度锡青铜与钛扩散连接时，温2.2.2扩散连接时间

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，连接时间就将以平方的速度增长。在实际扩散连接工艺中，连接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，连接时间越短越好。若缩短连接时间，必须相应提高温度与压力。。2.2.2扩散连接时间扩散连接时间t也称保温

接头强度一般是随连接时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，伸长率和冲击韧度与扩散连接时间的关系也与此相似。右图是铜与钢的接头强度与连接时间的关系，在连接时间为20min时得到最大值；当添加镍中间层时，接头强度有所提高，但变化趋势相同接头强度一般是随连接时间的增加而上升，而后逐渐趋2.2.3连接压力

扩散连接时单位面积上的压力P主要为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。压力越大，温度越高，紧密接触的面积也越多。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。2.2.3连接压力扩散连接时单位面积上的压

增大压力可以使接头强度提高和伸长率增大。右图是用Cu或Ag连接Al2O3陶瓷、用Al连接SiC时的变化趋势。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。另外，压力的影响还与材料的类型、厚度以及表面氧化状态有关。增大压力可以使接头强度提高和伸长率增大。右2.2.4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。计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（1.33～1.33×10-3Pa），就足以保证连接表面达到一定的清洁度，从而确保实现可靠连接。2.2.4环境气氛扩散连接一般在真空、不活性气体（

右图是用Al做中间层连接Si3N4时环境条件对接头强度的影响，真空连接接头的强度最高，抗弯强度超过500MPa，接头呈交叉状断在Al层和陶瓷中，Al层中的断口为塑性，陶瓷中的断口为脆性。在氩气保护下的接头强度虽然分散度较大（330～500MPa），但平均强度超过400MPa。而在大气中连接时强度低，只有100MPa左右，断口分析发现，接头沿Al/Si3N4界面脆性断裂，这是由于连接时界面发生氧化反应，生成Al2O3氧化膜，导致接头强度降低。右图是用Al做中间层连接Si3N4时环境条件对接2.2.5表面状态

扩散连接材料的表面应光滑平整，一般应先进行机械加工，然后去除加工表面的油、锈及表面氧化物。（1）表面粗糙度的影响几乎所有的焊接件都需要由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。扩散连接的试件一般要求表面粗糙度应达到Ra>2.5μm（△6）以上。扩散连接时，被连接工件的表面粗糙度对接头的力学性能也有影响，高温下不易变形的材料，连接时的塑性变形小，则表面粗糙度要细一些，一般来讲，工件表面粗糙度Ra在0.63μm左右。对耐热合金与耐热钢的扩散连接，要求表面粗糙度应达到Ra＝0.32μm以上。表面加工质量越高，即表面粗糙度越小，越有利于结合面之间的紧密结合。2.2.5表面状态扩散连接材料的表面应光滑平整

Si3N4陶瓷与金属连接时，表面粗糙度对接头强度的影响十分显著，粗糙的表面会在陶瓷中产生局部应力集中而容易引起脆性破坏。Si3N4－Al接头表面粗糙度对接头抗弯强度的影响如图18所示（试件的连接温度T＝1073K，压力P＝0.05MPa，连接时间t＝10min）。从图中可知，表面粗糙度为0.1μm时，接头强度比母材强度稍低，当表面粗糙度由0.1μm变为0.3μm时，接头抗弯强度从470MPa降低到270MPa。Si3N4陶瓷与金属连接时，表面粗糙度对接头强度的影2.2.6中间层选择

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做中间层，利用中间层的塑性变形和塑性流动，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)可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。2.2.6中间层选择1)改善表面接触，减小扩散连接时的

例如，Al合金表面易形成一层稳定的Al2O3氧化物层，扩散连接时该层不向母材中溶解。可以采用Si作中间层，利用Al-Si共晶反应形成液膜，促进Al2O3层破碎。又如Ni基合金表面也容易形成氧化膜，扩散连接时，由于微量氧的存在，可在连接界面促进碳化物和氮化物的形成，影响接头性能。若采用Ni箔做中间层进行扩散连接，可以对这些化合物的生成抑制作用。例如，Al合金表面易形成一层稳定的Al2O

3)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，最好选用与母材不形成金属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。4)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箔作为中间层，连接温度只需要930℃。5)控制接头应力，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为中间层，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。3)改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和有害

固相扩散连接中间层材料在固相扩散连接中多用软质纯金属材料做中间层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、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箔固相扩散连接中间层材料在固相扩散连接第三节、扩散连接设备

3．1扩散连接设备的分类

（1）按照真空度分类根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散连接设备分为四类，低真空（0.1Pa以上）、中真空（0.1Pa～10-3Pa）、高真空（<10-5Pa）焊机和低压或高压保护气体扩散焊机。根据连接工件在真空中所处的情况，可分为焊件全部处在真空中的焊机和局部真空焊机。局部真空扩散焊机仅对焊接区域进行保护，主要用来连接大型工件（如轴、管等）。第三节、扩散连接设备3．1扩散连接设备的分类

（2）按照热源类型和加热方式分类进行扩散连接时，加热热源的选择取决于连接温度、工件的结构形状及大小。根据扩散连接时所应用的加热热源和加热方式，可以把焊机分为感应加热、辐射加热、接触加热、电子束加热、辉光放电加热、激光加热、光束加热等。在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻辐射加热两种方式。（2）按照热源类型和加热方式分类进行扩散连接时，

(3)其他分类方法根据真空室的数量，可以将扩散连接设备分为单室和多室两大类；根据真空连接的工位数（传力杆的数量），又可分为单工位和多工位焊机；根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序控制三类(3)其他分类方法根据真空室的数量，可以将扩散3．2扩散连接设备的组成

（1）真空系统（2）加热系统（3）加压系统（4）控制系统（5）冷却系统

3．2扩散连接设备的组成（1）真空系统（1）真空系统

包括真空室、机械泵、扩散泵、管路、切换阀门和真空计组成。真空室的大小应根据焊接工件的尺寸确定，对于确定的机械泵和扩散泵，真空室越大，抽到10-3Pa所需的时间就越长。在一般情况下，机械泵能达到的真空度为10-1Pa，扩散泵可以达到10-3Pa～10-5Pa真空度。为了加快抽真空的时间，一般还要在机械泵和扩散泵之间增加一级增压泵（也称罗斯泵）（1）真空系统包括真空室、机械泵、扩散泵、管路、切换阀门（2）加热系统

高频感应扩散焊接设备采用高频电源加热，工作频率为60～500kHz，由于集肤效应的作用，该类频率区间的设备只能加热较小的工件。对于较大或较厚的工件，为了缩短感应加热时间，最好选用500～1000Hz的低频焊接设备。感应线圈由铜管制成，内通冷却水，其形状可根据焊件的形状进行设计，一般为环状，线圈可选用1匝或多匝。在焊接非导电的陶瓷等材料时，应采用间接加热的方法，可在工件与感应线圈之间加圆筒状石墨导体，利用石墨导体产生的热量进行焊接加热（2）加热系统高频感应扩散焊接设备采用高频电源加热，工（3）加压系统

为了使被连接件之间达到密切接触，扩散连接时要施加一定的压力。对于一般的金属材料，在合适的扩散连接温度下采用的压力范围为1～100MPa。对于陶瓷、高温合金等难变形的材料，或加工表面粗糙度较大，或当扩散连接温度较低时，才采用较高的压力。扩散连接设备一般采用液压或机械加压系统，在自动控制压力的扩散连接设备上一般装有压力传感器，以此实现对压力的测量和控制（3）加压系统为了使被连接件之间达到密切接触，扩（4）控制系统

控制系统主要实现温度、压力、真空度及连接时间的控制，少数设备还可以实现位移测量及控制。温度测量彩和镍铬－镍铝、钨－铑、铂－铂铑等热电偶，测量范围为293～2573K，控制精度范围为±（5～10）K。采用压力传感器测量施加的压力，并通过与给定压力比较进行调节。控制系统多采用计算机编程自动控制，可以实现连接参数显示、存储、打印等功能（4）控制系统控制系统主要实现温度、压力、真空度(5)冷却系统

为了防止设备在高温下损坏，应对扩散泵、感应加热线圈、电阻加热电极、辐射加热的炉体等按照要求通水冷却。

(5)冷却系统为了防止设备在高温下损坏，应对扩散泵、3．3典型扩散连接设备及工作原理（1）电阻辐射加热真空扩散连接设备真空扩散焊机是最常用的扩散连接设备，结构原理如图51所示。真空室内的压头或平台要承受高温和一定的压力，因而常用钼或其他耐热、耐压材料制成。加压系统一般采用液压，对小型焊机也可用机械加压方式。加压系统应保证压力均匀可调且可靠性高3．3典型扩散连接设备及工作原理（1）电阻辐射加热真空扩

（2）感应加热扩散连接设备

感应加热扩散连接设备图52是感应加热扩散焊机示意图，由高频电源和感应线圈构成加热系统，机械泵、扩散泵和真空室构成真空系统。对于非导电材料如陶瓷等，可以采用高频加热石墨等导体，然后把工件放在石墨管中进行间接辐射加热。图53是高频感应扩散连接设备照片

（2）感应加热扩散连接设备感应加热扩散连接设备图

（3）超塑成形－扩散连接设备

超塑成形－扩散连接设备此类设备是由压力机和专用加热炉组成，可分为两大类。一类是由普通液压机与专门设计的加热平台构成。加热平台由陶瓷耐火材料制成，安装于压力机的金属台面上。超塑成形－扩散用模具及工件置于两陶瓷平台之间，可以将待连接零件密封在真空容器内进行加热。（3）超塑成形－扩散连接设备超塑成形－扩散连

另一类是压力机的金属平台置于加热炉内，如图54所示。其平台由耐高温的合金制成，为加速升温，平台内亦可安装加热元件。这种设备有一套抽真空供气系统，用单台机械泵抽真空，利用反复抽真空－充氩方式来降低待焊表面及周围气氛中的氧分压。高压氩气经气体调压阀，向装有工件的模腔内或袋式毛坯内供气，以获得均匀可调的扩散连接压力和超塑成形压力。另一类是压力机的金属平台置于加热炉内，如图54

（4）热等静压扩散焊设备

为了制备致密性高的陶瓷及精密形状的构件，热等静压（简称HIP）设备受到人们的重视。在加高温的同时，对工件施加很高的压力，以增加致密性或获得所需的构件形状。一般采用全方位加压，压力最高可达200MPa。该设备可用于粉末冶金、铸件缺陷的愈合、复合材料制备、陶瓷烧结及精密复杂构件的扩散连接等。（4）热等静压扩散焊设备为了制备致密性高的扩散连接

diffusionbonding

扩散连接特别适合异种金属材料、陶瓷、金属间化合物、非晶态及单晶合金等新材料的接合广泛应用于航空、航天、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域扩散连接

diffusionbondin2022/12/2153定义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，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面形成了新的扩散层，从而形成可靠连接的接头。特点无铸造组织，无熔焊缺陷；实现难焊材料的连接；精度高，变形小；可进行大面积板及圆柱的连接；采用中间层可减少残余应力。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；投资大，工件尺寸受到限制。2022/12/172定义

扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的扩散连接；从是否产生液相角度又可分为固相扩散连接和液相扩散连接；从连接环境上，还可分为真空扩散连接和保护气氛环境下的扩散连接。扩散连接可以分为直接扩散连接和添加中间层的扩散1.1固相扩散连接基本原理

接头形成过程

材料连接时的物理接触过程

扩散连接时的化学反应

第一节扩散连接机理1.1固相扩散连接基本原理接头形成过程第一节扩2022/12/21561.1.1接头形成过程(1)物理接触阶段

高温下微观不平的表面，在外加力的作用下，局部接触点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，最终使整个接合面达到可靠接触。2022/12/1751.1.1接头形成过程(2)接触表面激活阶段不同材料的原子在高温下相互扩散，晶界发生迁移及微小孔洞消失，在界面形成不连续的结合层。(3)接头形成阶段

是在接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展，形成可靠边的连接接头。(2)接触表面激活阶段2022/12/21581.1.2物理接触过程1.1.2.1物理接触及氧化膜去处（1）扩散连接过程中氧化膜消除途径1）解吸2）升华3）溶解金属表面氧化膜的溶解或发生还原反应4）表面变形去膜金属与氧化膜性能相差较大5）化学反应真空中残留的气体与被连接材料表面发生反应2022/12/1771.1.2物理接触过程2022/12/2159（2）常用金属材料去处氧化膜机制1）钛镍型主要是靠氧化膜在母材中的溶解2）钢铁型形成夹杂物3）铝合金型塑性变形使氧化膜破碎，或用还原性强的元素将氧化膜还原。2022/12/178（2）常用金属材料去处氧化膜机制2022/12/21601.1.2.2物理接触的形成

物理接触是形成连接接头的必要条件。依靠一种或两种被连接材料在接触处的塑性变形来实现的。接触面积的增加可以分为变形、流动和实际接触面积继续增加几个阶段。

加压初期，接触面积不到总面积的1-2%。经过几秒钟的加压后，变形量相应降低2-3个数量级，并转入不稳定的流动阶段。实际接触面积可以达到名义接触面积的40-75%。2022/12/1791.1.2.2物理接触的形成

形成实际接触的时间与温度和压力有关，约为1到几十分钟，实际接触面积可达到总面积的90%-95%。剩余的孔隙将在扩散过程中被填满。形成实际接触的时间与温度和压力有关，约为1到2022/12/21621.1.3扩散连接时的化学反应异种材料连接时，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逐渐增大。当整个界面都发生化学反应时，生成相也由不连续的粒状或块状成长为层状，形成良好的接头。扩散连接时，压力对反应源的数量有决定性的影响，温度和时间主要影响反应速度和生成相的成长。2022/12/17111.1.3扩散连接时的化学反应

无论是何种反应，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。

某些异种金属扩散连接时，过渡区中的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。金属间化合物形成初期，固溶体先在晶界的局部地区产生过饱和，从而形核。随着扩散的进行，变成金属间化合物的岛，进而形成连续的新相层。无论是何种反应，界面大多生成无限固溶体、有限固溶体1.2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（如钛合金晶粒尺寸小于3μm、变形速率10-3/s～10-5/s），拉伸变形可以超过100％，甚至达到1500％，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

1.2超塑成形扩散连接基本原理超塑性是指在

用这种新的热加工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，与常规方法相比质量小，刚度大，可减轻质量30％，降低成本50％，提高加工效率20倍.用这种新的热加工方法可以制造钛合金薄壁复

第二节扩散连接工艺

第二节扩散连接工艺2．1扩散连接的工艺特点

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)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)可以进行大面积极及圆柱的连接。

6)采用中间层可减少残余应力。2．1扩散连接的工艺特点优点：缺点

1)无法进行连续式批量生产

2)时间长，成本高

3)对接合表面要求严格

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。缺点1)无法进行连续式批量生产2．2扩散连接工艺参数选择

扩散连接参数主要:

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综合考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用2．2扩散连接工艺参数选择

扩散连接参数主2.2.1.连接温度

连接温度T越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触所需的压力越小。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≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度，常选择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。2.2.1.连接温度连接温度T越高，扩散系

固相扩散连接时，元素之间的互扩散引起化学反应，温度越高，反应越激烈，生成反应相的种类也越多。同时，在其他条件相同时，随着温度的增加，反应层厚度越厚。图11是SiC/Ti界面的反应层厚度与时间、温度的关系，从图中可知，连接时间相同时，提高温度可以大幅度增加接头反应层厚度固相扩散连接时，元素之间的互扩散引起化学反锡青铜与钛扩散连接时，温度在1073K（800℃）以下，即使施加很大的压力，接头强度仍然很低，主要原因是温度过低，界面处于活化状态的原子少，无法形成良好的接合界面。连接温度在1073～1093K范围内，接头强度随温度的上升而增加，在1093K时达到165MPa的最大强度值。但连接温度进一步增加，接头强度逐渐下降。原因在于，接合界面出现了脆性的金属间化合物，该化合物层随温度增加而变厚，从而降低了接头强度锡青铜与钛扩散连接时，温2.2.2扩散连接时间

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，连接时间就将以平方的速度增长。在实际扩散连接工艺中，连接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，连接时间越短越好。若缩短连接时间，必须相应提高温度与压力。。2.2.2扩散连接时间扩散连接时间t也称保温

接头强度一般是随连接时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，伸长率和冲击韧度与扩散连接时间的关系也与此相似。右图是铜与钢的接头强度与连接时间的关系，在连接时间为20min时得到最大值；当添加镍中间层时，接头强度有所提高，但变化趋势相同接头强度一般是随连接时间的增加而上升，而后逐渐趋2.2.3连接压力

扩散连接时单位面积上的压力P主要为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。压力越大，温度越高，紧密接触的面积也越多。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。2.2.3连接压力扩散连接时单位面积上的压

增大压力可以使接头强度提高和伸长率增大。右图是用Cu或Ag连接Al2O3陶瓷、用Al连接SiC时的变化趋势。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。另外，压力的影响还与材料的类型、厚度以及表面氧化状态有关。增大压力可以使接头强度提高和伸长率增大。右2.2.4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。计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（1.33～1.33×10-3Pa），就足以保证连接表面达到一定的清洁度，从而确保实现可靠连接。2.2.4环境气氛扩散连接一般在真空、不活性气体（

右图是用Al做中间层连接Si3N4时环境条件对接头强度的影响，真空连接接头的强度最高，抗弯强度超过500MPa，接头呈交叉状断在Al层和陶瓷中，Al层中的断口为塑性，陶瓷中的断口为脆性。在氩气保护下的接头强度虽然分散度较大（330～500MPa），但平均强度超过400MPa。而在大气中连接时强度低，只有100MPa左右，断口分析发现，接头沿Al/Si3N4界面脆性断裂，这是由于连接时界面发生氧化反应，生成Al2O3氧化膜，导致接头强度降低。右图是用Al做中间层连接Si3N4时环境条件对接2.2.5表面状态

扩散连接材料的表面应光滑平整，一般应先进行机械加工，然后去除加工表面的油、锈及表面氧化物。（1）表面粗糙度的影响几乎所有的焊接件都需要由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。扩散连接的试件一般要求表面粗糙度应达到Ra>2.5μm（△6）以上。扩散连接时，被连接工件的表面粗糙度对接头的力学性能也有影响，高温下不易变形的材料，连接时的塑性变形小，则表面粗糙度要细一些，一般来讲，工件表面粗糙度Ra在0.63μm左右。对耐热合金与耐热钢的扩散连接，要求表面粗糙度应达到Ra＝0.32μm以上。表面加工质量越高，即表面粗糙度越小，越有利于结合面之间的紧密结合。2.2.5表面状态扩散连接材料的表面应光滑平整

Si3N4陶瓷与金属连接时，表面粗糙度对接头强度的影响十分显著，粗糙的表面会在陶瓷中产生局部应力集中而容易引起脆性破坏。Si3N4－Al接头表面粗糙度对接头抗弯强度的影响如图18所示（试件的连接温度T＝1073K，压力P＝0.05MPa，连接时间t＝10min）。从图中可知，表面粗糙度为0.1μm时，接头强度比母材强度稍低，当表面粗糙度由0.1μm变为0.3μm时，接头抗弯强度从470MPa降低到270MPa。Si3N4陶瓷与金属连接时，表面粗糙度对接头强度的影2.2.6中间层选择

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做中间层，利用中间层的塑性变形和塑性流动，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)可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。2.2.6中间层选择1)改善表面接触，减小扩散连接时的

例如，Al合金表面易形成一层稳定的Al2O3氧化物层，扩散连接时该层不向母材中溶解。可以采用Si作中间层，利用Al-Si共晶反应形成液膜，促进Al2O3层破碎。又如Ni基合金表面也容易形成氧化膜，扩散连接时，由于微量氧的存在，可在连接界面促进碳化物和氮化物的形成，影响接头性能。若采用Ni箔做中间层进行扩散连接，可以对这些化合物的生成抑制作用。例如，Al合金表面易形成一层稳定的Al2O

3)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，最好选用与母材不形成金属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。4)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箔作为中间层，连接温度只需要930℃。5)控制接头应力，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为中间层，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。3)改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和有害

固相扩散连接中间层材料在固相扩散连接中多用软质纯金属材料做中间层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、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箔固相扩散连接中间层材料在固相扩散连接第三节、扩散连接设备

3．1扩散连接设备的分类

（1）按照真空度分类根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散连接设备分为四类，低真空（0.1Pa以上）、中真空（0.1Pa～10-3Pa）、高真空（<10-5Pa）焊机和低压或高压保护气体扩散焊机。根据连接工件在真空中所处的情况，可分为焊件全部处在真空中的焊机和局部真空焊机。局部真空扩散焊机仅对焊接区域进行保护，主要用来连接大型工件（如轴、管等）。第三节、扩散连接设备3．1扩散连接设备的分类

（2）按照热源类型和加热方式分类进行扩散连接时，加热热源的选择取决于连接温度、工件的结构形状及大小。根据扩散连接时所应用的加热热源和加热方式，可以把焊机分为感应加热、辐射加热、接触加热、电子束加热、辉光放电加热、激光加热、光束加热等。在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻辐射加热两种方式。（2）按照热源类型和加热方式分类进行扩散连接时，

(3)其他分类方法根据真空室的数量，可以将扩散连接设备分为单室和多室两大类；根据真空连接的工位数（传力杆的数量），又可分为单工位和多工位焊机；根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序控制三类(3)其他分类方法根据真空室的数量，可以将扩散3．2扩散连接设备的组成

（1）真空系统（2）加热系统（3）加压系统（4）控制系统（5）冷却系统

3．2扩散连接设备的组成（1）真空系统（1）真空系统

包括真空室、机械泵、扩散泵、管路、切换阀门和真空计组成。真空室的大小应根据焊接工件的尺寸确定，对于确定的机械泵和扩散泵，真空室越大，抽到10-3Pa所需的时间就越长。在一般情况下，机械泵能达到的真空度为10-1Pa，扩散泵可以达到10-3Pa～10-5Pa真空度。