材料接合技術(shù)對許多行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，尤其是航空、汽車、造船、石油、石化、加工技術(shù)等要求和使用高級材料的行業(yè)。

由于接合用途的嚴格要求，擴散接合越來越受到關(guān)注。這種方法被廣泛用于制造復雜形狀的薄型金屬零件。通過擴散接合的連接能夠滿足關(guān)于強度、韌性、密封性、耐熱耐腐蝕性的最重要的結(jié)構(gòu)的要求。

由于工藝在真空條件下進行，即使是活性金屬，擴散接合部位的雜質(zhì)含量也非常低。因此，真空擴散焊在復雜鈦合金零件的制造中起著重要的作用。

圖1.使用擴散接合工藝制造的渦輪葉片

擴散結(jié)的主要特征

擴散接合是一種對先進工程部件非常有吸引力的接合技術(shù)，特別是在傳統(tǒng)焊接工藝降低熱影響區(qū)材料性能的情況下。該技術(shù)對于不同金屬的接合具有特殊的優(yōu)點，避免了焊接工藝冷卻時易在熔池中生成的脆性金屬間化合物相。

擴散結(jié)又稱擴散焊接，是通過界面原子的擴散在兩個不同部件之間形成連接的過程。

擴散結(jié)利用了兩個固體表面的原子隨時間相互擴散的固體擴散原理。這通常需要對被接合材料施加高壓和必要的高溫。該工藝主要在真空室內(nèi)進行。

通過正確選擇工藝參數(shù)（溫度、壓力、時間），接合部位及其附近材料的強度和塑性可以達到與母材基體相同的水平。這是目前已知的唯一一種能夠使金屬與非金屬的接合全部保持基材原有性能的技術(shù)。

該技術(shù)可以形成結(jié)構(gòu)均勻、強度接近基材的高質(zhì)量接合。在真空條件下操作不僅保護接合表面，而且避免進一步的污染（例如氧化），并且通過氧化物的分解、升華或溶解以及擴散到基材中來清洗接合表面。因此，在整個界面上不會產(chǎn)生冶金缺陷或空位。

不需要使用填料，是擴散接合的重要特征之一。擴散接合的產(chǎn)品不會像普通焊接或釬焊零件那樣增加重量，也不需要后續(xù)機加工，因此不會損失高價值的金屬材料。

另外，無論外形和截面多么復雜，都有能夠接合零件的優(yōu)點。實際上，該工藝在航空行業(yè)使用最多，能夠可靠地接合蜂窩結(jié)構(gòu)部件和多翅片通路管等本來難以制造的部件。

圖2.TAV真空爐公司制造的擴散接合爐

應(yīng)用擴散結(jié)

擴散接合對于交通運輸業(yè)越來越重要，因為從轎車、卡車到飛機的各種交通運輸工具為了降低燃料消耗、降低增加的燃料成本而追求輕量化。通過減少制造轎車、卡車、飛機用部件的壁厚，可以減輕其重量。

擴散結(jié)是高效反應(yīng)器、熱交換器和燃料電池制造的關(guān)鍵技術(shù)，在電信、機械工程、醫(yī)療和生物技術(shù)等領(lǐng)域使用的微結(jié)構(gòu)部件的制造中也起著重要的作用。

如果使用合金釬料會影響零件的微細結(jié)構(gòu)和密封性，則采用擴散接合代替精密釬焊。這種獨特的接合方法也常用于制造加速器和微型冷卻器，因為釬焊接頭和釬焊腳改變了腔室的諧振頻率或增加了較薄的熱分流層，擴散接合可以避免這些問題。

在制造用于歧管、醫(yī)用植入物、噴嘴、混合器和其它精密組件的微通道裝置的墊圈組件時，通常也是優(yōu)選的接合方法。最終應(yīng)用溫度極高，合金釬料有軟化風險，降低觸點強度時也能發(fā)揮本領(lǐng)。

各部件在使用擴散接合工藝進行連接時，可大幅降低宏觀變形。這意味著產(chǎn)品可以達到優(yōu)異的尺寸公差。特殊材料組合的適用性，以及鈦合金接合的便利性，使得該技術(shù)越來越受到工業(yè)用戶的青睞。

圖3.TAV真空爐公司制造的臺車式爐門設(shè)計的擴散結(jié)爐

鈦（Ti）擴散結(jié)

強度高、重量輕、耐腐蝕性、生物相容性好是鈦的基本特征。這種金屬的比重比普通鋼小，比鋁大，但強度是鋁的兩倍。純鈦（Ti）很少像大多數(shù)單體金屬那樣直接使用，但鈦的合金用途廣泛。

鈦合金在高溫下保持高強度，耐腐蝕性優(yōu)良，因此在航空行業(yè)中得到廣泛使用。在一些先進機型中，很多零件都是用鈦合金制造的，從蒙皮和發(fā)射器到液壓管路和噴氣發(fā)動機內(nèi)部的零件。

海洋工程行業(yè)也對鈦合金感興趣。因為與海水長期接觸的材料需要優(yōu)良的耐腐蝕性。另外，鈦耐腐蝕，生物相容性高，能與人體骨骼結(jié)合，因此在醫(yī)療行業(yè)也很受歡迎。從手術(shù)器械到整形棒、釘、板，醫(yī)用鈦合金已成為醫(yī)療領(lǐng)域不可缺少的重要材料。用鈦和鈦合金制成的零件在化工、汽車和核能產(chǎn)業(yè)的用途也在增加。

隨著鈦和鈦合金的應(yīng)用越來越廣泛，這些材料的接合技術(shù)非常引人注目。但低氧分壓容易氧化，因此在高溫下非常活躍，焊接并不簡單。

焊接鈦的時候我想記住一件事。雖然泄漏也會導致脆化，但脆化是焊縫斷裂的最重要原因。污染物可能是手指上的油污、潤滑劑、切削油、涂料、污垢等。因此，鈦和鈦合金的優(yōu)選接合方法是真空擴散接合。

真空擴散焊

鈦是焊接難度最高的材料之一，易與氧結(jié)合，應(yīng)嚴格保護。鈦的焊接通常在真空室內(nèi)進行。真空擴散焊通過控制溫度、壓力、時間和真空度來促進材料之間的界面原子擴散。

鈦合金擴散接合需要熱量，因此真空爐必須在高溫下運行，必須通過高壓氬氣。真空可除去微量氫和其它蒸汽或氣體（例如氮氣、氧氣和蒸汽）。

真空對確保零件的清潔度也起著重要的作用，這直接關(guān)系到接合的成敗。真空可以在常溫下去除產(chǎn)品攜帶的油脂和微量濕氣，有助于判斷接合工藝是否需要中斷，以免污染物揮發(fā)影響工藝。必須維持真空直到達到接合溫度。

氣體壓力僅在達到接合溫度后增加到工藝設(shè)定點。由于工藝系統(tǒng)往往很大，需要使用相當數(shù)量的氬氣。通過利用溫度輔助增壓，可以減少氬氣的使用量。

高溫和高壓不是傳統(tǒng)熱處理真空爐的典型特征。它們有水冷真空室和加熱室，后者將高溫區(qū)與真空爐的冷壁隔開。高壓氣體降低加熱室材料的絕熱能力，另外，材料的通氣性越大，降低的幅度越大。

在真空爐內(nèi)真空擴散焊合鈦合金時，爐溫達到1000℃（1832°F）左右，壓力為幾十巴。在這種情況下，即使在高溫區(qū)域也可以使用黑鉛板進行絕熱，但通過加熱室的設(shè)計，保證垂直方向的熱阻和絕熱能力有變化（厚度不一致），通過對流補償溫度差。該方案與真空爐的一般設(shè)計完全不同（盡量對稱以保證熱輻射均勻性），廠家需要更多經(jīng)驗。