擴散焊接也稱為擴散連接，這是一種焊接方法，其中焊接部件的表面在一定溫度和壓力下彼此接觸，從而擴大焊接表面的物理接觸，然后通過長時間的原子間擴散實現(xiàn)結(jié)合。擴散焊接是連接非均相金屬、耐熱合金、復合材料和陶瓷的主要方法。

擴散焊接廣泛應用于導電器件和器件制造、電真空設(shè)備制造、機械制造和航空航天。航空工業(yè)是擴散焊接最重要的應用領(lǐng)域。根據(jù)該報告，在過去十年中，美國生產(chǎn)了大量結(jié)合擴散焊接和超塑性擴散焊接的B-1轟炸機，包括66個重要的機翼、天平、燈泡和橫梁，并焊接了航天飛機的主要推進結(jié)構(gòu)。它由25個擴散焊接部件組成。通過以這種方式制造飛機組件，可以有效地減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省有價值的材料并降低生產(chǎn)成本。國外擴散焊接技術(shù)相對成熟，但國內(nèi)擴散焊接尚未開始。

本文描述了真空擴散焊接的原理及其優(yōu)點。

1.真空擴散焊接的原理及其優(yōu)點

1.1擴散焊頭原理

為了在不熔化金屬的情況下形成良好的焊接接頭，待焊接表面必須緊密粘附，以便在原子吸引力內(nèi)形成金屬鍵。另一方面，材料表面不平坦且有光澤，在實際表面上有氧化膜、污染物和表面吸附層。

因此，焊縫被加熱和加熱，表面氧化膜破裂，表面產(chǎn)生塑性變形和高溫蠕變，兩種材料

圖1.擴散焊接的4階段概略圖

當然這四個階段也不是分得很清楚，而是相互交叉進行，經(jīng)過擴散過程形成可靠的連接。

1.2.擴散焊的分類與特點

根據(jù)被焊接材料的組合形式可以分為無中間層擴散焊和中間層擴散焊，根據(jù)焊接母材的不同也可以分為同種材料擴散焊和異種材料焊。

異種材料的焊接在接頭中形成與機體不同的新相，新相的性能決定焊接接頭的性能，因此研究接頭中元素的擴散規(guī)律，預測新相的生成至關(guān)重要。

FickBottzmann和Matono等對擴散系數(shù)D進行了很多研究。Fick提出第一定律，D不隨濃度變化而變化，即：

擴散系數(shù)D隨著濃度而變化，即擴散系統(tǒng)為非穩(wěn)定狀態(tài)時，Bottzmann用成分

非變量法：

在此基礎(chǔ)上，Matano利用圖解法提出了不同濃度下的擴散系數(shù)方程：

式中：為擴散通量：C為元素濃度，t為保溫時間，x為元素擴散距離，D為擴散系數(shù)。

通過張蕾等研究氫對TC4合金擴散焊接加工影響的機理，元素主要通過加速原子擴散、增大再結(jié)晶驅(qū)動力、促進塑性變形、蠕變?nèi)齻€方面來改善TC4欽合金的擴散焊接加工性。

根據(jù)焊接接頭是否出現(xiàn)液相，可分為固相擴散焊和液相擴散焊。由于固相分散焊面臨塑性變形困難的問題，需要較高的連接溫度和較大的壓力，通常需要較長的時間，而且固相焊接設(shè)備復雜，接頭形式也有一定的限制，生產(chǎn)效率比較低。瞬間液相擴散焊可以彌補其缺點。英國Davids.Duvall[6]等人首次利用相圖和金屬學原理解釋了瞬時液相擴散焊TLP（TLP）。瞬時液相擴散焊接是將中間層配置在被連接材料連接表面間，在加熱過程中，通過達到中間層的熔點或中間層與母材相互擴散而形成共晶反應產(chǎn)物而形成低熔點的液相合金，從而形成薄的液相中間層液體也可以填充連接材料表面之間的空間，溶解殘留在表面上的雜質(zhì)。隨著溶質(zhì)原子繼續(xù)擴散到母材中，發(fā)生等溫凝固，等溫凝固結(jié)束后，沒有殘留液相存在的痕跡，形成與母材成分實質(zhì)上類似的連接接頭瞬時液相擴散焊接與焊接同樣有微量的液相作用。但與纖維焊接相比，釬焊側(cè)重于母材的潤濕，TLP技術(shù)側(cè)重于溶解元素向母材的擴散，優(yōu)勢是對母材表面氧化膜有一定的自整理能力，無中間層殘留，無界面，可形成微觀組織及力學性能與母材相似的接頭能夠得到比焊接溫度重的熔融溫度的焊接的接頭。

真空技術(shù)的發(fā)展，真空技術(shù)與擴散焊接技術(shù)相結(jié)合形成了真空擴散焊接技術(shù)。真空擴散焊是在真空、高溫和施加一定壓力條件下，被焊材料表面原子經(jīng)過長時間的相互擴散、相互滲透，最終實現(xiàn)材料永久連接的方法，與熔融焊接相比，真空擴散焊是焊接過程與空氣隔絕，焊接變形小，甚至無變形具有節(jié)約材料、耐腐蝕性和相當于母材等優(yōu)點。

此外，由于材料超塑性的發(fā)現(xiàn)，人們又利用材料的高延展性加速了界面接觸過程，形成了超塑成形擴散焊。由于超塑材料所具有的超細晶粒，界面區(qū)域的晶界密度和晶界擴散的作用大大增加，孔和界面消失的過程D顯著增加。超塑性擴散焊接可以是兩側(cè)母材具有超塑性的材料，也可以添加超塑性中間層材料來實現(xiàn)擴散連接。

2.擴散焊接工藝對擴散焊接的影響

2.1加熱溫度

溫度增加加快，接頭強度也相對較高。受焊接件和夾具的高溫強度、母材成分、表面狀態(tài)、中間層材料以及相變的影響，許多金屬材料和合金的加熱范圍-一般為0.6-0.8Tm（k）（Tm為母材的熔點）。何鵬[！等采用欽為中間層，對TA1合金和基高溫合金（GH99）進行擴散連接，研究了擴散連接接頭界面結(jié)構(gòu)和連接溫度對界面結(jié)構(gòu)和連接性能的影響，探討了連接界面反應層的形成機理；結(jié)果表明，GH99/Ti/TiAl的界面結(jié)構(gòu)為：GH99/（NiCr）表明為/Ti富NCr）/TiNi/Ti2Ni/a-Ti+Ti2Ni/Ti（Al）的s/TiAI+Ti3Al/TA隨著連接溫度的升高，各反應層厚度增加，接頭的電阻強度先增加后減小，連接溫度1173K，連接時間30min，連接壓力20MPa

時，剪切強度最高為260.7MPa.Ohsaa[121等建立了Ni合金的動力學模型，用差分法進行擴散的計算，得到了焊接溫度和焊接時間對元素擴散的作用。

2.2.保溫時間

保溫時間是指焊接溫度下焊接件的保持時間。保溫時間太短，擴散焊壓頭達不到與穩(wěn)定母材相等的強度，高溫高壓下保持時間過長，對擴散焊壓頭沒有進一步提高的作用，反而可使母材晶粒長大。保溫時間與溫度和壓力密切相關(guān)，采用較高的溫度和壓力可縮短焊接時間。從提高生產(chǎn)率的觀點出發(fā)，保溫時間越短越好。

林紅香等Zr/Cu/Zr瞬間液相擴散連接TCN）陶瓷基體試驗重點研究了保溫時間對元素擴散及界面反應產(chǎn)物的影響，結(jié)果表明：在特定焊接工藝條件下，元素Ti、AI、Zr、Cu在界面相互擴散，形成TCN）以CuZr2+CuZr+ZrO/Cu為主要組織的過渡型界面接頭的最高彎曲強度可達320MPa，最佳工藝參數(shù)為950C、3MPa，保溫時間為15min~30min，此時界面組織均勻致密，可獲得力學性能高的焊接接頭。

Nishimoto等人使用MBF80非晶中間層，在1250C/30mi和1275C/25min兩種工藝條件下，將CMSX-2單晶鎳基合金與TLP連接，進行焊接后的固溶時效處理。試驗表明，TLP接頭650C~900C的高溫抗拉強度略大于CMSX2基體，耐久強度接近母材。

李曉紅等人以本國第一代基單晶高溫合金DD3為研究對象，將DIF作為中間層合金，在1250C保溫4、24、36h，1250C/4h擴散焊接頭在焊接中心線上少量塊狀y相和W、Mo、Cr復合碳確化合物的相外部分為母材組織得到與成分大致一致y+Y’兩相組織y沉淀相尺寸為約0.5~1.2um

2.3.壓力

施加壓力的主要作用是使結(jié)合面的微突起部分發(fā)生塑性變形，從而實現(xiàn)粘附促進界面區(qū)域的擴散，加速再結(jié)晶的過程。高壓力可產(chǎn)生大的表層塑性變形，降低表層再結(jié)晶溫度，加速晶界遷移。高壓力有利于第四階段的進行，有利于微孔的收縮和去除，也可以減少異種金屬的擴散孔。焊接壓力也不宜過大導致焊接件變形，同時對設(shè)備要求過高，應從經(jīng)濟角度選擇小壓力。

對于瞬時液相擴散焊接，壓力參數(shù)只是旨在使焊接面良好地接觸，如果通過添加中間層材料能夠有效地提高擴散速度，則也可以不施加壓力而施加小的壓力。

以Ni71CrSi高溫材料為中間層金屬，對GH3128基高溫合金進行了壓焊試驗，通過強度試驗結(jié)果的正交分析，焊接溫度是對接頭力學性能產(chǎn)生決定性影響的因素各因素常溫性能的影響順序為：焊接溫度＞保溫時間＞因素對高溫力學性能的影響順序為：焊接溫度＞焊接壓力＞保相花門其單件件對高一件的名敗也是昨天的關(guān)重費。

為了便于研究，擴散焊接通常分為以下四個步驟進行討論。

第一階段是物理接觸的初始階段，表面不是平面，圖中僅示出了每個接觸點的接觸的一部分。

第二階段是塑性變形階段，其在施加的壓力的作用下通過彈性和蠕變機構(gòu)導致表面的塑性變形，表面的接觸表面逐漸增加，最終實現(xiàn)未到達接合區(qū)的整個界面的可靠接觸，如圖1B所示。

第三階段是基本擴散和反應階段，其中接觸表面的原子通過擴散相互干擾，形成緊密鍵，導致缺陷，如晶格失真、位錯、間隙等，從而顯著增加界面能量，并且原子處于有利于擴散的高級活性狀態(tài)。

第四步是質(zhì)量擴散階段，微孔逐漸消失，如圖1D所示，組織成分逐漸均勻化，最終顆粒通過晶界界面生長，原始界面消失。

2.4.中間層材料的選擇

為了降低擴散焊的連接溫度、保溫時間和壓力，提高接頭的性能，促進擴散的進行，擴散焊經(jīng)常在焊接的材料之間插入中間層，尤其對于異種材料的連接中間層材料尤為重要。中間層向高合眾因態(tài)擴大州出發(fā)，命王要用兩根溫技合變形，增加貼合面積，加速擴散，降低連接溫度和時間，阻礙有害金屬間的化合

為了保證焊接質(zhì)量和焊接實驗的順利進行，中間過渡層的選擇主要遵循以下兩點：中間層材料的熱膨脹系數(shù)介于母材之間：中間層金屬不會與基體金屬發(fā)生不良的冶金反應，如脆性金屬間化合物等產(chǎn)生有害相[8]。

北京航空材料研究院李曉紅、毛唯等對國內(nèi)自行研制的第二代單件合金DD6瞬態(tài)液相擴散焊接工藝進行了研究，中間層合金主要成分與DD6母材基本一致，同時加入一定量的B作為降元素，采用129C /12h規(guī)范擴散焊接頭的連接界面大約一半的區(qū)域是與DD6母材類似的y+娘′組織預制其他區(qū)域，在高固溶體基體上分布著不同形態(tài)的硼化物，其980C的持久性能接近母材性能指標的90%：將擴散焊接保溫時間延長到24h，連接界面上的不均勻區(qū)域減少其980C和100C的持久性能分別達到母材性能指標的90%~100%和70%~80%。

對于鎳基高溫合金的焊接，由于變形困難，采用固相擴散焊接需要較大的壓力和較長的時間，導致材料晶粒粗化，嚴重損害材料的性能。Han wB人[81等將鎳箔作為中間層在IN718上進行固相擴散焊接。試驗表明，取25um鎳箔，在焊接溫度1273~1323K030MP蒙保溫時間為45~-60ie時，可獲得良好的焊接界面，在室溫下，斷位發(fā)生在母材側(cè)。

周媛等人采用磁控濺射技術(shù)在TA15合金表面沉積薄膜，在DD6單晶高溫合金表面沉積Ni薄膜，以TiNi薄膜為中間層進行低溫擴散焊接研究。

X射線衍射分析表明，Ti、Ni薄膜均為多品體結(jié)構(gòu)，AFM分析表明，薄膜沉積后，TA15合金和DD6單晶襯底的表面粗糙度降低。以T、Ni薄膜為中間層，以800C/20MPa/2h規(guī)格實現(xiàn)了TA15合金和DD6單晶高溫合金的異種材料的低溫擴散連接。掃描電鏡和能譜分析表明，Ti、Ni兩種元素都擴散到不同的母材界面，整個接合處呈層狀組織，主要為Ti2Ni和TiNi相。

Gale等人提出了“寬間隙”TLP連接的概念，其中TiAI金屬間化合物材料（鑄造Ti-48 at%A1-2at%Cr-2at%Nb合金）和NiA1-Hf與錦基高溫合金MM247的連接的“寬間隙”TLP連接采用120]復合中間層，其中在液相形成元件中加入了標稱上的非熔融元件。

Nieman和Garrett等人使用Cu作為中間層低溫低壓結(jié)合的AI-b-B復合材料使用共晶結(jié)合，其中Nieman和Garrett等人的有效性達到100%。

2.5.材料表面處理

焊接表面的清潔度和平整度對焊接接頭也有重要影響。擴散焊組裝前必須對擴散焊表面進行處理。主要包括加工符合要求的表面粗糙度、平整度去除表面氧化物，去除表面有機物膜，一般經(jīng)過除油、機械加工、磨削、拋光、酸洗等措施，也可在真空烘箱中煅燒得到清潔表面。機械加工的固化層經(jīng)常使用化學侵蝕法進行清潔。表面處理的要求還與焊接溫度和壓力有關(guān)，隨著連接溫度和壓力的升高，對表面的要求越來越低。

2.6.阻焊劑

對于擴散焊接，需要阻焊劑，以防止壓頭與焊接零件或焊接零件之間的區(qū)域通過擴散焊接粘結(jié)。阻焊劑的熔點或軟化點一般高于焊接溫度，具有較好的高溫化學穩(wěn)定性，不與焊接件夾持或壓發(fā)發(fā)生化學反應，不影響焊接件表面，不破壞保護氣氛或真空度。在鋼-鋼擴散焊的情況下，可以使用人造云母片作為隔離壓頭，在欽-鐵擴散焊的情況下，可以涂布氮化硼或氧化記憶粉末。

3.焊接后的質(zhì)量檢查

擴散焊接頭焊接質(zhì)量檢驗方法采用隨機抽檢進行金相檢驗，結(jié)合超聲波等非破壞性檢驗手段。目前，沒有可靠的非破壞性檢測方法，其使緊密接觸且未通過界面不良焊接區(qū)域的接頭晶粒生長。在生產(chǎn)和試驗過程中使用超高頻（>50MHz）超聲掃描檢測裝置進行檢測僅對明顯分離的未焊接和尺寸較大的孔有效。因此，必須開展研究，探索可靠的檢測方法。目前還沒有國內(nèi)航空擴散焊質(zhì)量驗收的標準，需要通過工藝參數(shù)及工藝程序的研究和實際應用的積累來建立有效的標準126。

采用何鵬等人掃描電鏡、電子探針和X射線照射等方法對連接界面進行分析，焊接后，根據(jù)標準DIN8526一1977，用抗切割強度值評價連接強度。

國外關(guān)于釬焊、擴散焊接頭無損檢測的研究報告較多對于焊縫單面為平面或近似平面的結(jié)構(gòu)，多采用超聲波C掃描檢測焊縫中的未焊、氣孔等缺陷，但對于擴散焊接頭中易產(chǎn)生的密合弱結(jié)合缺陷超聲波C掃描幾乎檢測不到。渦流檢測技術(shù)已用于檢測纖維焊接蜂窩焊縫分布情況，滲透檢測技術(shù)用于焊縫外緣焊接情況的檢測。但是，對于一部分的零件形狀，形狀特別復雜，或者由于焊縫的周圍構(gòu)造，不能實施接頭檢測的焊接，往往需要通過其他方法來解決。

超聲檢測起著非常重要的作用，但超聲檢測也存在時間分辨低、反射率低、波長大于缺陷尺寸等不足。這是瞬時液相擴散焊發(fā)展的一個方向。

4.擴散焊接的數(shù)值模擬與模擬

為了更好地研究擴散焊接規(guī)律，運用計算技術(shù)，對接頭行為進行數(shù)值模擬以找到共同規(guī)律，同時預測和實時控制擴散連接過程和質(zhì)量無疑也是今后研究的重點1281。

Grant等人29根據(jù)TLP的焊接原理模擬的焊接過程圖：焊接前期，焊接溫度達到中間層熔點，中間層溫度上升，中間層溶解：焊接溫度繼續(xù)上升，中間層完全溶解，降熔元素向兩側(cè)擴散，部分母材液化，加熱溫度繼續(xù)上升達到最大值，中間層兩側(cè)母材進一步液化，液寬達到最大值。加熱方式導致母材表面受熱溫度先達到最大值，先發(fā)生熔化，及擠出作用引起的液體流出、濕潤損失、過渡層不均勻，在等溫凝固階段，中間層對母材的護散速度處于固態(tài)與液體擴散系數(shù)間，母材與中間層元素相互擴散，波相寬度變小均勻化階段，中間層與母材之間的元素擴散使中間過渡層成分穩(wěn)定，晶粒生長：元素擴散基本完成，晶粒再結(jié)晶完成，過渡層與母材成分基本相同，焊接完成。

5.展望

隨著國內(nèi)新型航空發(fā)動機工作溫度的逐步升高，鎳鋁基金屬化合物、欽鋁基金屬間化合物與鎳基單晶高溫合金及粉末合金、陶瓷及復合材料等難焊材料的連接逐漸增加。擴散焊以其焊接材料范圍廣、焊接接頭強度和成分接近母材為首選的焊接方法，也越來越受到焊接工人的青睞。綜合擴散焊的溫度、壓力、保溫時間、中間層的選擇和焊后質(zhì)量檢測等方面的探討，認為擴散焊應向以下幾個方面發(fā)展：

（1）新材料及難焊材料擴散焊接工藝的開發(fā)。隨著新材料研發(fā)和制造的發(fā)展，材料連接技術(shù)也必須發(fā)展，才能使材料發(fā)揮優(yōu)異的性能。

（2）擴散焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。探索最佳擴散焊接工藝，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)成本。

（3）瞬時液相擴散焊中間層的開發(fā)。探索和改進了各種材料擴散焊接的中間層合金體系，為各種材料擴散焊接工藝提供參考。

4）擴散焊接設(shè)備的研制與開發(fā)。擴散焊接設(shè)備一次投資成本高，且多為國外設(shè)備，限制了擴散焊接技術(shù)的適用性。國內(nèi)應加強擴散焊接設(shè)備的開發(fā)與開發(fā)，實現(xiàn)國產(chǎn)化，降低生產(chǎn)成本。

（5）焊接后質(zhì)量檢測方法的完善。目前，一般需要通過掃描電鏡、X射線、非破壞性檢查等方法，以及焊接接頭強度檢查來評價焊接質(zhì)量，進一步改進焊接檢查

方法。

（6）焊后質(zhì)量驗收標準的完善。焊接工藝和焊接接頭的好壞，以及是否達到工程標準檢測標準的完善。

（7）擴散焊接的計算機模擬與仿真。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，擴散焊接也可以實現(xiàn)計算機仿真和仿真。計算機模擬元件的擴散過程有助于研究擴散焊接的動力學，為獲得高性能接頭提供理論指導。

總之，擴散焊接還有很多需要解決的問題。國外擴散焊接技術(shù)廣泛應用于航空工業(yè)，要達到國際領(lǐng)先水平還有很長的路要走。