异种材料扩散连接综述

异种材料扩散连接综述

摘要：扩散焊是将两个被连接件紧压在一起置于真空或保护性气体中加热，使两个连接件表面微观凸凹不平处产生塑性变形。从而达到紧密接触，再经保温，原子间相互扩散而形成良好的冶金连接的一种固相焊接方法。本文主要介绍钢-铜异种材料扩散连接的方法过程和特点。 关键词： 异种材料；扩散连接；固相焊接

1、引言

扩散连接技术出现于上世纪年代初，这一焊接方法不仅能够获得同种金属和合金的牢固接头，而且能够获得异种金属和合金的牢固接头，尤其是在航空、航天领域利用扩散焊技术可以解决许多新材料的连接问题。随着我国航空技术的发展，扩散焊技术的研究和应用也在不断发展，年代实现了同种金属和合金的扩散焊技术应用，目前我国运用扩散焊技术解决异种材料连接已经在航空产品上得到一定程度的应用[1]。

2、扩散连接技术的原理

扩散连接（diffusion bonding）是指相互接触的表面，在温度和压力的作用下，被连接材料表面相互靠近、相互接触，局部发生塑性变形，经一定时间结合层原子间相互扩散，在接头焊缝中形成了新的扩散反应层，而形成整体可靠的连接过程。为了获得优质的焊接接头，必须保证焊接材料不受空气的影响，扩散焊时需在真空或惰性气体保护介质中进行，目前真空扩散焊应用最多。真空扩散焊是在真空氛围中金属不熔化的条件下通过原子之间的相互扩散并通过原子之间的引力形成新的金属键，从而获得一定强度的焊接接头。薄膜学说、能量学说、位错理论、再结晶理论等这些扩散连接机理非常复杂[2]。

扩散焊分为固相扩散焊和瞬时液相扩散焊，这取决于焊接过程中所加的压力能否使基体材料表面产生塑性变形，例如超塑性成形扩散焊、常规固相扩散焊、热等静压扩散焊等。超塑性成形扩散连接技术是针对在高温下金属材料具有超塑性，且金属材料这种超塑性成形温度与扩散焊加热温度很接近，并在压力较低、温度较高和一定的真空环境氛围中进行。热等静压扩散技术是指从各个方向对待连接材料均匀施加一定压力，在一定温度和真空环境中，通过原子间的相互扩散

反应形成焊接接头的一种固相扩散连接方法；扩散连接分为加中间层和不加中间层的连接。通过加入中间层，在一定程度上阻止了熔点低的共晶液相和脆性相的生成，从而可减少甚至消除焊接残余应力。在异种金属材料连接范围中，扩散连接具有显著的优势，特别是对于物理及化学性能相差悬殊的异种金属材料。扩散连接技术与熔焊相比，连接温度不高，母材不熔化，由热循环引起的接头界面区域的残余应力、应变非常小，这也避免焊接接头中结晶带来的气孔、夹杂、裂纹等缺陷，因此，扩散焊能够实现可靠连接，特别是熔化焊难以连接的一些材料，扩散焊具有广阔的应用前景；扩散连接与钎焊比，不需要添加钎剂，母材表面可以存在一定的氧化膜，形成的接头界面没有明显的钎料层，接头界面组织均匀，且强度比一般的硬钎焊接头强度高[3.4]。

3、异种材料扩散连接的研究现状

扩散连接方法在早20世纪初就成为了日臻成熟和完善的连接方法。扩散连接技术在发达国家的尖端科学技术领域中具有很大的作用，在企业中应用较为广泛；直到20世纪50年代我国才对扩散连接技术进行研究，大型超高真空扩散焊机的试制成功标志着扩散连接技术在我国已发展到一个较高水平，但跟发达国家相比，在研究的深度和应用广度上仍有很大的差距[5]。

吴铭方等将不锈钢侧分别镀铜、镀银，Al-Si 合金箔作为中间反应层材料，通过双温真空扩散焊技术在不同的焊接加热温度和保温时间下，将 6063 铝合金/1Cr18Ni9Ti 不锈钢焊接。结果表明：对于采用镀 Ag 层双温扩散焊，接头界面处先生成了 Ag-Al 金属间化合物，而形成 Fe-Al 系金属间化合物的具有一定的延迟性；当双温扩散焊采用不锈钢侧镀 Cu，Al-Cu 共晶液相对 6063 铝合金基体具有较好的流动性、润湿性，在不锈钢一侧界面生成了 Fe-Al、Al-Cu 金属间化合物，扩散反应层宽度随焊接加热温度的升高和时间的延长而显著增加，接头界面中心主要是由共晶组织Al-Cu 组成；对于 Al-Si 合金箔作为中间反应层双温扩散焊，保温时间对共晶液相在对不锈钢上铺展润湿性影响较大，而对铝合金影响较小。

Daglilar,Sibel 等人通过扩散焊实现不锈钢/铝合金之间的连接，研究发现当真空度很低为 3.3Pa、温度 550℃及压力 0.60MPa 时，扩散连接 0.5h 能得到最

高效率的连接，而焊后在 500℃下进行退火处理 60 分钟能获得很高的焊接接头强度[6]。

对于钛合金和铜合金的双金属扩散连接的实际应用也有报道，如法国的炮弹壳体（Ti6Al6V2Sn）与耐磨层商业青铜（90Cu-10Zn）的连接，考虑到Ti6Al6V2Sn 在900F下会发生时效强化，故采用了低温扩散连接的方法，规范为 T=482℃，t=8h同时，连接表面的压力是靠异种金属的线膨胀差异而获得，压力规范为55.1MPa-107.5MPa。近年来，赵熹华教授、杨泉、韩立军曾经对TC8和ZQSn10-10 的扩散连接工艺进行过研究。研究结果如下：当TC8和ZQSn10-10直接扩散连接时，在温度范围800-850℃下进行扩散连接试验，最佳扩散工艺参数为：850℃/5MPa/25min。当在连接温度800℃时，随着连接压力的提高，扩散区变宽，出现了“贫铜”，现象，贫铜层的宽度随着连接压力的增加而增加。此时由于低熔点共晶形成的数量较少，所以未能起到良好的愈合作用，接头强度不高，随着温度的提高，扩散区加宽，低熔点共晶数量增多，但是在较小的连接压力下，断口表面仍有少量的低熔点共晶分布，随着连接压力的提高，低熔点共晶数量虽然减少，但是断口表面仍分布着几处低熔点共晶体，故强度也不高。随着温度的进一步提高，随着低熔点共晶的数量的急剧增加，并且元素的扩散速度明显增加，从而形成了较深的扩散区，有利于提高接头的结合性能[7,8]。

4、扩散连接孔隙闭合过程模型的发展

材料表面无论经过多么仔细的加工，表面在微观上仍存在粗糙起伏。扩散连接时，两个这样的表面从开始接触到实现理想的连接过程中，接触界面将发生变形和扩散。可见，对接触层内的结构及其发展变化的研究是必要的。不难理解，两粗糙面接触初期界面层内只有一小部分接触，大部分则是非接触孔隙。从接触到孔隙减少、闭合至扩散连接完毕的过程模型，最早由Harmilton C H提出，模型分为四个阶段，即：(I)初始物理接触的发展；(II)金属键的形成；(III)扩散；(IV)再结晶和晶粒长大。以后人们都是依这几个阶段的思路去研究扩散连接过程，并明显的意识到孔隙闭合是实现扩散连接的基础，所用时间也最长。所以关于扩散连接界面模型和理论的研究的重点是孔隙闭合的过程[9,10]。 4.1 Hamilto模型