【正文】 擴散連接 n 液相的生成 將中間擴散夾層材料夾在被連接表面之間，施加一定的壓力，或依靠工件自重使相互接觸。然后在無氧化或無污染的條件下加熱，當加熱到連接溫度 TB時，形成共晶液相（上圖 a）。n 等溫凝固過程 液相形成并充滿整個焊縫縫隙后，應立即開始保溫，使液 固相之間進行充分的擴散，由于液相中使熔點降低的元素大量擴散至母材內(nèi)（圖 b），母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點逐漸升高而凝固，凝固界面從兩側(cè)向中間推進（圖 c）。隨著保溫時間的延長，接頭中的液相逐漸減少，最后形成接頭（圖 d）。n 成分均勻化 等溫凝固形成的接頭，成分很不均勻。為了獲得成分和組織均勻的接頭，需要繼續(xù)保溫擴散（圖 e）。超塑成形擴散連接基本原理超塑成形擴散連接基本原理 n 超塑性是指在一定的溫度下，對于等軸細晶粒組超塑性是指在一定的溫度下，對于等軸細晶粒組織，當晶粒尺寸、材料的變形速率小于某一數(shù)值織，當晶粒尺寸、材料的變形速率小于某一數(shù)值時，拉伸變形可以超過時，拉伸變形可以超過 100％、甚至達到數(shù)千倍％、甚至達到數(shù)千倍，這種行為叫做材料的超塑性行為。材料的超塑，這種行為叫做材料的超塑性行為。材料的超塑性成形和擴散連接的溫度在同一溫度區(qū)間，因此性成形和擴散連接的溫度在同一溫度區(qū)間，因此可以把成形與連接放在一起進行，而構(gòu)成超塑成可以把成形與連接放在一起進行，而構(gòu)成超塑成形擴散連接工藝。用這種方法可以制造鈦合金薄形擴散連接工藝。用這種方法可以制造鈦合金薄壁復雜結(jié)構(gòu)件（飛機大型壁板、翼梁、艙門、發(fā)壁復雜結(jié)構(gòu)件（飛機大型壁板、翼梁、艙門、發(fā)動機葉片），并已經(jīng)在航天、航空領(lǐng)域得到應用動機葉片），并已經(jīng)在航天、航空領(lǐng)域得到應用，如波音，如波音 747飛機上有飛機上有 70多個鈦合金結(jié)構(gòu)件就是多個鈦合金結(jié)構(gòu)件就是應用這種方法制造的。用這種方法制成的結(jié)構(gòu)件應用這種方法制造的。用這種方法制成的結(jié)構(gòu)件，質(zhì)量小，剛度大，可減輕質(zhì)量，質(zhì)量小，剛度大，可減輕質(zhì)量 30％，降低成本％，降低成本50％，提高加工效率％，提高加工效率 20倍。倍。擴散連接參數(shù)選擇擴散連接參數(shù)選擇 n 擴散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時間、擴散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時間、氣氛環(huán)境和試件的表面狀態(tài)，這些因素之氣氛環(huán)境和試件的表面狀態(tài)，這些因素之間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數(shù)間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數(shù)時應統(tǒng)籌考慮。此外，擴散連接時還應考時應統(tǒng)籌考慮。此外，擴散連接時還應考慮中間層材料的選用。慮中間層材料的選用。 連接溫度連接溫度n 連接溫度連接溫度 T越高，擴散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形越高，擴散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形能力愈好，連接表面達到緊密接觸所需的壓力愈能力愈好，連接表面達到緊密接觸所需的壓力愈小。但是，加熱溫度受到再結(jié)晶、低熔共晶和金小。但是，加熱溫度受到再結(jié)晶、低熔共晶和金屬間化合物生成等因素的影響。因此，不同材料屬間化合物生成等因素的影響。因此，不同材料組合的連接溫度，應根據(jù)具體情況，通過實驗來組合的連接溫度，應根據(jù)具體情況，通過實驗來選定。從大量實驗結(jié)果看，連接溫度大都在選定。從大量實驗結(jié)果看，連接溫度大都在 ～～(母材熔化溫度母材熔化溫度 )范圍內(nèi)，最適合的溫度一范圍內(nèi)，最適合的溫度一般為般為 T≈。對瞬時液相擴散連接溫度的選擇。對瞬時液相擴散連接溫度的選擇，常在可生成液相的最低溫度附近，溫度過高將，常在可生成液相的最低溫度附近，溫度過高將引起母材的過量溶解。引起母材的過量溶解。 保溫時間保溫時間n 擴散連接時間擴散連接時間 t（也稱保溫時間）主要決定原子擴（也稱保溫時間）主要決定原子擴散和界面反應的程度，同時也對所連接金屬的蠕散和界面反應的程度，同時也對所連接金屬的蠕變產(chǎn)生影響。連接時間不同，所形成的界面產(chǎn)物變產(chǎn)生影響。連接時間不同，所形成的界面產(chǎn)物和界面結(jié)構(gòu)不同。擴散連接時，要求接頭成分均和界面結(jié)構(gòu)不同。擴散連接時，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增長。實際擴散連接工藝中保溫時間從幾分鐘到幾長。實際擴散連接工藝中保溫時間從幾分鐘到幾小時，甚至達到幾十小時。但從提高生產(chǎn)率考慮小時，甚至達到幾十小時。但從提高生產(chǎn)率考慮，保溫時間越短越好。縮短保溫時間，必須相應，保溫時間越短越好?？s短保溫時間，必須相應提高溫度與壓力。提高溫度與壓力。n 接頭強度一般是隨時間的增加而上升，而后逐漸接頭強度一般是隨時間的增加而上升，而后逐漸趨于穩(wěn)定。接頭的塑性，延伸率和沖擊韌性與保趨于穩(wěn)定。接頭的塑性，延伸率和沖擊韌性與保溫擴散時間的關(guān)系也與此相似。溫擴散時間的關(guān)系也與此相似。 連接壓力連接壓力 n 擴散連接時的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變擴散連接時的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變形及達到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加形及達到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加速擴散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴散孔洞速擴散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴散孔洞的產(chǎn)生。壓力愈大，溫度愈高，緊密接觸的面積的產(chǎn)生。壓力愈大，溫度愈高，緊密接觸的面積也愈多。但不管壓力多大，在擴散連接的初期不也愈多。但不管壓力多大，在擴散連接的初期不可能使連接表面達到可能使連接表面達到 100%的緊密接觸狀態(tài)，總的緊密接觸狀態(tài)，總有一小部分演變成界面孔洞。目前，擴散連接規(guī)有一小部分演變成界面孔洞。目前，擴散連接規(guī)范中應用的壓力范圍很寬，最小只有范中應用的壓力范圍很寬，最小只有 (瞬時液相擴散連接瞬時液相擴散連接 )，最大可達，最大可達 350MPa（熱等（熱等靜壓擴散連接），而一般壓力約為靜壓擴散連接），而一般壓力約為 10~30MPa。與連接溫度和時間的影響一樣，壓力也存在最。與連接溫度和時間的影響一樣，壓力也存在最佳值，在其他規(guī)范參數(shù)不變的條件下，最佳壓力佳值，在其他規(guī)范參數(shù)不變的條件下，最佳壓力時接頭可以獲得最佳強度。時接頭可以獲得最佳強度。環(huán)境氣氛環(huán)境氣氛 n 擴散連接一般在真空、不活性氣體（擴散連接一般在真空、不活性氣體（ Ar、N2）或大氣氣氛環(huán)境下進行，一般來說，）或大氣氣氛環(huán)境下進行，一般來說，真空擴散連接的接頭強度高于在不活性氣真空擴散連接的接頭強度高于在不活性氣體和空氣中連接的接頭強度。真空中的材體和空氣中連接的接頭強度。真空中的材料在溫度升高時，氣體會從零件和真空室料在溫度升高時，氣體會從零件和真空室內(nèi)壁中析出，計算和實驗結(jié)果表明，真空內(nèi)壁中析出，計算和實驗結(jié)果表明，真空室內(nèi)的真空度在常用的規(guī)范范圍內(nèi)（室內(nèi)的真空度在常用的規(guī)范范圍內(nèi)（~103Pa），就足以保證連接），就足以保證連接表面達到一定的清潔度，從而確保實現(xiàn)可表面達到一定的清潔度，從而確保實現(xiàn)可靠連接。靠連接。 表面狀態(tài)表面狀態(tài) n 表面粗糙度的影響表面粗糙度的影響 幾乎所有的焊接件都需幾乎所有的焊接件都需要由機械加工制成，不同的機械加工方法要由機械加工制成，不同的機械加工方法，獲得的粗糙等級不同。擴散連接的試件，獲得的粗糙等級不同。擴散連接的試件一般要求表面粗糙度應達到一般要求表面粗糙度應達到 Ra＞＞ （（ 6）以上。）以上。n 表面清理表面清理 待連接零件在擴散連接前的加工待連接零件在擴散連接前的加工和存放過程中，被連接表面不可避免地形和存放過程中，被連接表面不可避免地形成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。在連接成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。在連接前需經(jīng)過脫脂、去除氧化物及氣體處理等前需經(jīng)過脫脂、去除氧化物及氣體處理等工藝過程。工藝過程。 中間層選擇中間層選擇n 兩種材料結(jié)晶化學性能差別較大，這兩種材料連兩種材料結(jié)晶化學性能差別較大，這兩種材料連接時，極易在接觸界面生成脆性金屬間化合物。接時，極易在接觸界面生成脆性金屬間化合物。兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別大，在接頭區(qū)域極易兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別大，在接頭區(qū)域極易產(chǎn)生很大的內(nèi)應力。針對這些問題為了獲得高質(zhì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應力。針對這些問題為了獲得高質(zhì)量的接頭，則要選擇中間層，使中間層金屬與兩量的接頭，則要選擇中間層，使中間層金屬與兩側(cè)材料都能較好的結(jié)合，生成固溶體，則實現(xiàn)良側(cè)材料都能較好的結(jié)合，生成固溶體，則實現(xiàn)良好的連接，對熱物理性能差別較大的材料，可以好的連接，對熱物理性能差別較大的材料，可以用軟的中間層或用幾個中間層過渡用軟的中間層或用幾個中間層過渡 ,緩和接頭的內(nèi)緩和接頭的內(nèi)應力，以保證獲得性能良好的接頭。應力，以保證獲得性能良好的接頭。中間層選擇中間層選擇 n 擴散連接時，中間層材料非常主要，除了能夠無擴散連接時，中間層材料非常主要，除了能夠無限互溶的材料以外，異種材料、陶瓷、金屬間化限互溶的材料以外，異種材料、陶瓷、金屬間化合物等材料多采用中間夾層進行擴散連接。中間合物等材料多采用中間夾層進行擴散連接。中間層材料不僅在固相擴散連接時使用，在液相擴散層材料不僅在固相擴散連接時使用，在液相擴散連接中應用的也比較廣泛。連接中應用的也比較廣泛。n 中間層可采用多種方式添加，如薄金屬墊片、非中間層可采用多種方式添加，如薄金屬墊片、非晶態(tài)箔片、粉末（對難以制成薄片的脆性材料）晶態(tài)箔片、粉末（對難以制成薄片的脆性材料）和表面鍍膜（如蒸鍍、和表面鍍膜（如蒸鍍、 PVD、電鍍、離子鍍、化、電鍍、離子鍍、化學鍍、噴鍍、離子注入等）。學鍍、噴鍍、離子注入等）。 中間層的作用中間層的作用 n 改善表面接觸，減小擴散連接時的壓力。改善表面接觸，減小擴散連接時的壓力。對于難變形材料，擴散連接時采用軟質(zhì)金對于難變形材料，擴散連接時采用軟質(zhì)金屬或合金作中間層，利用中間層的塑性變屬或合金作中間層，利用中間層的塑性變形和塑性流動，使結(jié)合界面達到緊密接觸形和塑性流動，使結(jié)合界面達到緊密接觸，提高物理接觸效果和減少達到緊密接觸，提高物理接觸效果和減少達到緊密接觸所需的時間。同時，中間層材料的加入，所需的時間。同時，中間層材料的加入，使界面的濃度梯度變大，促進元素的擴散使界面的濃度梯度變大，促進元素的擴散，加速擴散空洞的消失。，加速擴散空洞的消失。 中間層的作用中間層的作用n 可以抑制夾雜物的形成，促進其破碎或分解。例可以抑制夾雜物的形成，促進其破碎或分解。例如，如， Al合金表面易形成一層穩(wěn)定的合金表面易形成一層穩(wěn)定的 Al2O3氧化物氧化物層，擴散連接時該層不向母材中溶解?？梢圆捎脤?，擴散連接時該層不向母材中溶解?？梢圆捎肧i作中間層，利用作中間層，利用 AlSi共晶反應形成液膜，促進共晶反應形成液膜，促進Al2O3層破碎。層破碎。 Ni基合金表面也容易形成氧化膜基合金表面也容易形成氧化膜，擴散連接時，由于微量氧的存在，可在連接界，擴散連接時，由于微量氧的存在，可在連接界面促進碳化物和氮化物的形成，影響接頭性能。面促進碳化物和氮化物的形成，影響接頭性能。采用采用 Ni箔作中間層進行擴散連接，可以對這些化箔作中間層進行擴散連接，可以對這些化合物的生成起抑制作用。合物的生成起抑制作用。 中間層的作用中間層的作用n 改善冶金反應，避免或減少形成脆性金屬間化合改善冶金反應，避免或減少形成脆性金屬間化合物和有害的共晶組織。異種金屬材料擴散連接時物和有害的共晶組織。異種金屬材料擴散連接時，最好選用和母材不形成金屬間化合物的第三者，最好選用和母材不形成金屬間化合物的第三者材料，以便通過控制界面反應，改善材料的連接材料，以便通過控制界面反應，改善材料的連接性。例如，性。例如， Fe和和 Ti擴散連接時，除形成擴散連接時，除形成 FeTi化合化合物以外，物以外， Fe中的中的 C元素和元素和 Ti反應形成反應形成 TiC。采用。采用 Ni作中間層進行擴散連接，可以抑制作中間層進行擴散連接，可以抑制 TiC脆性相的出脆性相的出現(xiàn)。而且，在現(xiàn)。而且，在 Ni與與 Ti的界面上，形成的界面上，形成 NiTi化合物化合物后，接頭強度比形成后，接頭強度比形成 TiC時高。時高。 中間層的作用中間層的作用n 可以降低連接溫度，減少擴散連接時間。例如，可以降低連接溫度，減少擴散連接時間。例如，Mo直接擴散連接時，連接溫度為直接擴散連接時，連接溫度為 1260℃℃ ，而采，而采用用 Ti箔作中間層，連接溫度只需要箔作中間層，連接溫度只需要 930℃℃ 。n 控制接頭應力，提高接頭強度。異種材料連接時控制接頭應力，提高接頭強度。異種材料連接時，由于材料物理化學性能的突變，特別是因熱膨，由于材料物理化學性能的突變，特別是因熱膨脹系數(shù)不同，接頭易產(chǎn)生很大的熱應力。選取兼脹系數(shù)不同，接頭易產(chǎn)生很大的熱應力。選取兼有兩種母材性能的材料作中間層，形成梯度接頭有兩種母材性能的材料作中間層，形成梯度接頭，避免或減少界面的熱應力，從而提高接頭強，避免或減少界面的熱應力，從而提高接頭強度。度。中間層選擇原則中間層選擇原則 n 1）容易塑性變形，熔點比母材低。）容易塑性變形，熔點比母材低。n 2）物理化學性能與母材的差異比被連接材）物理化學性能與母材的差異比被連接材料之間的差異小。料之間的差異小。n 3）不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應，如不產(chǎn)）不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應，如不產(chǎn)生脆性相或不希望出現(xiàn)的共晶相。生脆性相或不希望出現(xiàn)的共晶相。n 4）不引起接頭的電化學腐蝕。）不引起接頭的電化學腐蝕。擴散連接的設(shè)備擴散連接的設(shè)備 n 擴散連接是在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的擴散連接是在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時間，連接界面原子間相互擴散，實現(xiàn)可靠的連時間，連接界面原子間相互擴散，實現(xiàn)可靠的連接。在焊接時，必須保證連接面及被焊金屬不受接。在焊接時，必須保證連接面及被焊金屬不受空氣的影響，才能保證得到優(yōu)質(zhì)的接頭。一般情空氣的影響，才能保證得到優(yōu)質(zhì)的接頭。一般情況下，必須在真空或惰性氣體介質(zhì)中進行?，F(xiàn)在況下，必須在真空或惰性氣體介質(zhì)中進行?，F(xiàn)在應用最多的方法是真空擴散連接，它可以焊接活應用最多的方法是真空擴散連接，它可以焊接活性金屬，也可以焊接一般金屬與非金屬。真空擴性金屬，也可以焊接一般金屬與非金屬。真空擴散連接可以用高頻、輻射、接觸電阻、電子束及散連接可以用高頻、輻射、接觸電阻、電子束及輝光放電等方法，對工件進行局部或整體加熱。輝光放電等方法，對工件進行局部或整體加熱。真空擴散連接設(shè)備的組成真空擴散連接設(shè)備的組成 n 真空系統(tǒng)，包括真空室、機械泵、擴散真空系統(tǒng)，包括真空室、機械泵、擴散泵、管路、切換閥門和真空計組成。真空泵、管路、切換閥門