擴散焊也稱擴散連接，是指在一定的溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過在待焊表面上產生液相而擴大待焊表面的物理接觸，然后經過較長的時間的原子相互擴散來實現結合的一種焊接方法^[1]。擴散焊是異種金屬、耐熱合金、復合材料、陶瓷等的主要連接方法，有著廣泛的應用前景。

擴散焊在導電裝置和元件的加工制造、電真空器件制造、機械制造工業以及航空航天等方面都有著廣泛的應用。尤其在航空航天方面，航空工業是擴散焊最重要的應用領域。據報道，^[2]美國在近十年間，用擴散焊接和超塑性成形擴散焊接組合工藝制造了大量B-1轟炸機的性合金組件，包括重要的翼板、平衡器支座、艙壁、具梁等66種之多，同時還焊接了航天飛機主發動機推進器結構，它由25個擴散焊接零件組成。用這種方法制造飛行器組件可有效地減輕結構重量、節約貴重材料，從而降低生產成本。國外擴散焊技術相對成熟，而國內擴散焊接則起步不久。

因此擴散焊有著重要的研究意義，本文主要闡述擴散焊的相關原理及其優點，及介紹重要的擴散焊技術，從工藝參數等方面介紹國內外研究進展，并對今后發展做出了展望。

1.擴散焊的原理、分類及特點

1.1. 擴散焊接頭的原理

要使金屬在不熔化情況下形成良好的焊接接頭，就必須使待焊面緊密接觸以達到原子引力范圍內形成金屬鍵。而材料表面不可能是完全平整和光潔，實際表面還存在氧化膜、污物和表面吸附層，都會影響接觸面上金屬原子形成金屬鍵，而兩母材表面晶體位相也不同，不同材料晶體結構也不同，這些都會影響材料的連接效果。

所以有必要對焊接接頭進行加壓和加熱，使表面的氧化膜破裂，表面發生塑性變形和高溫蠕變，從而加快兩材料的擴散連接。為了方便研究，通常將擴散焊分為以下四個階段討論。

第一階段為初始物理接觸階段，表面不平整，只有部分接觸點接觸，如圖1a所示。

   第二階段為塑性變形階段，在外加壓力的作用下，通過屈服和蠕變機理是使表面發生塑性變形，而且表面的接觸面積逐漸增大，最終達到整個界面的可靠接觸，界面未達到緊密接觸區域形成界面空洞，如圖1b所示。

第三階段為元素擴散與反應階段，接觸面的原子間相互擴散，形成緊密結合，如圖1c所示，由于變形引起晶格畸變、位錯、空位等缺陷，使界面能量顯著增加，原子處于高度激活狀態，有利于擴散。

第四階段為體擴散階段，微孔逐漸消失，如圖1d所示，組織成分逐漸均勻化，最后達到晶粒穿過晶界界面生長，原始界面消失。

  

   

    

 

 

                 圖1. 擴散焊的四個階段示意圖

當然這四個階段也不是截然分開的，而是相互交叉進行，經過擴散過程形成可靠連接。

1.2.擴散焊的分類及特點

按被焊材料的組合形式來分可分為無中間層擴散焊和加中間層擴散焊，按照焊接母材不同，也可分為同種材料擴散焊和異種材料焊接。

異種材料焊接在接頭處會形成不同于機體的新相，新相的性能決定焊接接頭的性能，因此研究元素在接頭中的擴散規律并預測新相的生成極其重要。Fick^[4]、Bottzmann^[3]和 Matono^[4]等對擴散系數D進行了大量研究。Fick 提出第一定律，D 不隨濃度的變化而變化，即：

 

當擴散系數 D 隨著濃度變化而變化，即擴散體系為非穩態，Bottzmann 用分離變量法：

 

在此基礎上，Matano 用圖解法提出了不同濃度下的擴散系數方程：

 

以上式中：J 是擴散通量；C 是元素濃度；t 是保溫時間；x 是元素擴散距離；D 是擴散系數。

張蕾^[5]等研究氫對TC4鈦合金擴散焊加工影響的機理得出氫元素主要通過加速原子擴散、增大再結晶驅動力、促進塑性變形以及蠕變這三方面來改善TC4鈦合金擴散焊加工性。

按照焊接接頭是否出現液相可分為固相擴散焊和液相擴散焊。由于固相擴散焊面臨著塑性變形的困難的問題，需要很高的連接溫度和實施較大的壓力，通常需要較長的時間，而且固相焊接設備復雜，接頭形式也有一定的限制，生產效率比較低。而瞬時液相擴散焊則能夠彌補其缺點。英國Davids．Duvall ^[6]等人首次通過相圖及金屬學原理解釋了瞬時液相擴散焊TLP( transient liquid phase diffusion bonding，TLP)。瞬時液相擴散焊是將中間層放置在待連接材料連接表面之間，在加熱過程中，由于達到中間層的熔點或者是由于中間層和母材相互擴散形成共晶反應產物而導致形成一種低熔點的液相合金，從而形成一層薄的液相中間層；液體填充了待連接材料表面之間的空間，并且有時還能溶解殘留在表面的雜質；隨著溶質原子向母材中繼續擴散，發生等溫凝固；等溫凝固結束后，沒有殘留液相存在的痕跡，形成了和母材成分基本相似的連接接頭^[7]。由于瞬時液相擴散焊與釬焊一樣都有微量的液相作用。但是與釬焊相比，釬焊側重于對母材的潤濕，TLP技術則側重于降溶元素向母材的擴散，優勢在于對母材表面氧化膜有一定的自清理能力，可形成無中間層殘留、無界面，微觀組織及力學性能與母材相似的接頭，可獲得重熔溫度高于焊接溫度的焊接接接頭^[8]。

由于真空技術的發展，真空技術與擴散焊接技術結合形成了真空擴散焊技術。真空擴散焊是在真空、高溫和施加一定壓力的條件下，被焊材料表面原子經過較長時間相互擴散、相互滲透，最終實現材料永久連接的方法，與熔化焊相比，真空擴散焊具有焊接過程與空氣隔絕，焊接變形小甚至無變形、節省材料、耐腐蝕性和母材的相當等優點^[9]。

另外，由于材料超塑性的發現，人們又發明了一種利用材料的高延展性來加速界面接觸過程，形成了超塑性成形擴散焊。由于超塑性材料所具備的超細晶粒，大大增加了界面區的晶界密度和晶界擴散的作用，顯著增加了孔洞和界面消失的過程^[1]。超塑性擴散焊可以是兩邊母材具有超塑性，也可以是添加超塑性中間層材料實現擴散連接。

 2. 擴散焊工藝對擴散焊的影響

 2.1.加熱溫度  

 加熱溫度是擴散焊最重要的焊接參數，在一定的溫度范圍內，擴散速度隨溫度的增加而加快，接頭強度也相對較高。受焊接件和夾具高溫強度、母材成分、表面狀態、中間層材料及相變的影響，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^[11]等采用鈦為中間層，對 Ti Al 合金與鎳基高溫合金( GH99) 進了擴散連接，研究了擴散連接接頭的界面結構和連接溫度對界面結構及連接性能的影響，并對連接界面反應層的形成機制進行探討；結果表明GH99 /Ti/Ti Al 的界面結構為: GH99 /( Ni,Cr)_ss/富Ti-( Ni,Cr)_ss/ TiNi / Ti2Ni /α-Ti + Ti2Ni / Ti ( Al)_ss/ Ti Al + Ti3Al / Ti Al; 隨著連接溫度的升高，各反應層厚度增加，接頭的抗剪強度先增加后減小; 在連接溫度1173 K，連接時間30 min，連接壓力20 MPa 時，抗剪強度最高為 260.7 MPa．

 Ohsasa ^[12]等人建立了 Ni 合金的動力學模型，通過差分法進行擴散的計算，得到焊接溫度與焊接時間對元素擴散起到的作用。

2.2.保溫時間

保溫時間是指焊接件在焊接溫度下的保持時間。保溫時間太短，擴散焊接頭達不到穩定的與母材相等的強度，在高溫高壓下保持時間太長，對擴散焊接頭起不到進一步提高的作用，反而會使母材晶粒長大。保溫時間與溫度和壓力是密切相關的，采用較高的溫度和壓力就可以縮短焊接時間。從提高生產率的角度講，保溫時間越短越好。

林紅香^[13]等人Zr/Cu/Zr 瞬間液相擴散連接 Ti(C,N)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物的影響；結果表明：在特定焊接工藝條件下，界面處元素 Ti、Al、Zr、Cu 發生互擴散，形成以 Ti(C,N)/Cu Zr2+Cu Zr+Zr O/Cu 為主要組織的過渡型界面，接頭最高彎曲強度可達 320MPa；最優工藝參數為 950℃、3MPa下，保溫時間15min~30min，此時界面組織均勻致密，可獲得力學性能較高的焊接接頭。

Nishimoto^[14]等人采用MBF80非晶態中間層在1 250℃/30 min 和1275 ℃/25 min 兩種工藝條件下對CMSX-2單晶鎳基合金進行 TLP 連接，焊后固溶時效處理。試驗發現，TLP 接頭在 650℃～900℃的高溫抗拉強度稍大于CMSX-2 基體，且持久強度與母材相近。

李曉紅^[15]等人以本國第一代鎳基單晶高溫合金DD3為研究對象,采用DIF為中間層合金在1250C保溫4,24,36h，得出1250℃/4h擴散焊接頭在焊接中心線處斷續分布有少量塊狀γ相和W，Mo，Cr復合碳硼化合物相外,其它部分已獲得與母材組織、成分基本一致的y+Y’雙相組織,γ沉淀相尺寸約為0.5~1.2um。

2.3.壓力

施加壓力的主要作用是使結合面微觀突起的部分產生塑性變形，從而達到緊密接觸促進界面區的擴散，加速再結晶的過程。較高的壓力可產生較大的表層塑性變形，使表層再結晶溫度降低，加速晶界遷移。高的壓力有利于第四階段的進行，有利于微孔的收縮和消除，也可減少異種金屬的擴散孔洞。焊接壓力也不宜過大過大會導致焊件變形，同時對設備的要求過高，從經濟的角度考慮應該選擇較小的壓力。

對于瞬時液相擴散焊，壓力參數僅僅是讓焊接面能良好的接觸為目的，若是添加中間層材料能有效的提高擴散速度，可以不施加壓力或施加較小的壓力。

以Ni71Cr Si 高溫釬料作為中間層金屬對 GH3128 鎳基高溫合金進行焊接試驗，通過對強度測試結果的正交分析發現，焊接溫度是對接頭力學性能其決定性影響的因素，各個因素的常溫性能的影響順序為：焊接溫度﹥保溫時間﹥焊接壓力；各個因素對高溫力學性能影響的順序為：焊接溫度﹥焊接壓力﹥保溫時間^[7]。由此可見合理的控制壓力參數也是至關重要的。

 

2.4.中間層材料的選擇

為了降低擴散焊連接溫度、保溫時間和壓力，提高接頭性能，促進擴散的進行，擴散焊時常會在待焊材料之間插上中間層，特別是對于異種材料的連接，中間層材料則顯得尤為重要。

中間層對高溫合金的固態擴散焊起著重要的作用，主要體現在促進接合面變形、增加貼合面積、加速擴散、降低連接溫度和時間、阻礙有害金屬間化合物的形成等方面^[16]。為保證焊接質量及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介于母材之間；中間層金屬不與基體金屬產生不良的冶金反應，如生成脆性金屬間化合物等有害相^[8]。

 北京航空材料研究院的李曉紅、毛唯等人^[17]對國內自行研制的第二代單晶合金 DD6 的過渡液相擴散焊工藝進行了研究，所采用中間層合金的主要成分與 DD6 母材基本一致，同時加入一定量的 B 作為降熔元素，采用1 290 ℃／12 h 規范擴散焊接頭的連接界面，約一半區域為與DD6 母材類似的 γ ＋γˊ組織，其他區域則為γ 固溶體基體上分布著不同形態的硼化物，其 980 ℃的持久性能接近母材性能指標的90％；延長擴散焊保溫時間至24 h，連接界面上的不均勻區域減少，其980℃和1 100℃的持久性能分別達母材性能指標的 90％～100％和 70％～80％。

對于鎳基高溫合金的焊接，由于它變形困難，采用固相擴散焊需較大的壓力和較長的時間，會導致材料晶粒的粗化，嚴重損害材料的性能。Han W B 等人^[18]等利用鎳箔作中間層對 IN718 進行固相擴散焊研究，試驗發現，當采用 25 um 鎳箔，焊接溫度為 1 273～1 323 K，壓力 20～30 MPa，保溫時間在 45～60 min 時可以獲得良好的焊接界面，室溫下斷裂位置發生在母材側。

    周媛^[19]等采用磁控濺射技術在TA15鈦合金表面沉積Ti薄膜，在DD6單晶高溫合金表面沉積Ni薄膜，以Ti,Ni薄膜作為中間層進行低溫擴散焊研究。通過X射線衍射分析發現Ti,Ni薄膜均為多晶體結構；采用AFM分析發現，沉積薄后，TA15鈦合金和DD6單晶基片的表面粗糙度均有所降低。以Ti,Ni薄膜作為中間層在800℃/20MPa/2h規范下實現了TA15鈦合金和DD6單晶高溫合金的異種材料低溫擴散連接。通過掃描電鏡和能譜分析表明：Ti，Ni兩元素均擴散至另一母材界面，整個接頭呈現分層組織，主要為Ti2Ni和TiNi相。

 Gale等人提出了“寬間隙”TLP擴散焊的概念，用于TiAl金屬間化合物材料(鑄造Ti-48at%Al-2at%Cr-2at%Nb合金)及NiAl-Hf與鎳基高溫合金MM247的連接；這種“寬間隙”TLP連接采用一種復合中間層，它由一個液相形成組元加一個名義上的非熔組元組成^[20]。

Duvall 等人采用 Ni－Co 為中間層連接Ni 基耐熱合金，形成了無界面的連接接頭，接頭有效性達 100％；Nieman 和 Garrett 等人利用共晶連接的方法，用 Cu 作中間層低溫低壓連接Al－b－B 復合材料；這種方法也被用來連接Ti－Al 接頭，但是接頭區域由于出現了中間金屬相，接頭沒有達到預期的性能^[21－25]。

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的影響。在擴散焊組裝之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、平直度，去除表面氧化物，消除表面的有機物膜，一般經過除油，機械加工、磨削、研磨和拋光，酸洗等措施，有時還采用真空烤箱烘烤以獲得潔凈表面。對于機加工的硬化層常采用化學侵蝕的方法清理。表面處理的要求還與焊接溫度與壓力有關，隨著連接溫度和壓力的提高，對表面的要求就越來越低。

 

 

2.6. 阻焊劑

擴散焊時為了防止壓頭與焊接件或焊接件之間的區域被擴散焊粘接在一起，需要加阻焊劑。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定性，不與焊件夾具或壓頭發生化學反應，不影響焊件表面，不破壞保護氣氛或真空度。

鋼-鋼擴散焊時，可用人造云母片作為隔離壓頭；鈦-鈦擴散焊時，可涂一層氮化硼或氧化釔粉。

3. 焊后質量檢測

擴散焊接頭焊接質量檢查方法采用隨機抽查進行金相檢查，并配以超聲波等無損檢測的手段?，F在，尚無可靠的無損檢測方法來檢查十分緊密接觸的，且晶粒生長未穿過界面不良焊合區域的接頭。生產和試驗中用超高頻（≥ 50MHz）的超聲掃描檢測裝置來檢查，只對明顯分離的未焊合和尺寸較大的孔洞才有效。因此，必須開展研究，摸索可靠的檢測方法。當前，還沒有用于國內航空擴散焊質量驗收的標準，需要通過對工藝參數及工藝程序的研究和實際應用積累來建立行之有效的標準^[26]。

何鵬等^[11]采用掃描電鏡、電子探針和 X 射線衍射等方法分析連接界面，焊后依據標準 DIN 8526—1977，以抗剪強度值評價接頭連接強度。

國外在釬焊、擴散焊接頭的無損檢測方面研究報道較多^[20]，對于焊縫一面為平面或近似平面的結構，多采用超聲C掃描檢測焊縫中的未焊合、氣孔等缺陷，但對于擴散焊接頭中容易產生的一種緊貼的弱結合缺陷，超聲C掃描幾乎不能檢出。渦流檢測技術已用于檢測釬焊蜂窩的焊料分布情況，滲透檢驗技術則被用于焊縫外緣焊合情況檢測。但對于一些零件形狀特別復雜或焊縫周圍結構使得接頭檢測無法實施的焊接，往往需要通過其它途徑解決。

超聲波檢測起著非常重要的作用，但是超聲波檢測也存在著時間分辨低、反射率低、波長大于缺陷尺寸等的不足，盡管瞬時液相擴散焊接在工業生產中的應用越來越廣，然而其接頭質量的檢測遠遠沒有達到令人滿意的結果；因此，要讓 瞬時液相擴散焊得到廣泛應用就應當在與它相關的工藝方面進行完善，這是瞬時液相擴散焊發展的一個方向^[27]。

 

4.擴散焊的數值模擬與仿真

為了更好地研究擴散焊規律，借助于計算技術，對接頭行為進行數值模擬，以便找到共同規律，同時對擴散連接過程及質量進行預測與實時控制無疑也是今后的研究重點^[28]。

Grant等^[29]根據 TLP 的焊接原理模擬出的焊接過程圖；焊接前期，焊接溫度達到中間層熔點，中間層溫度升高，中間層溶化；焊接溫度繼續升高，中間層完全融化，降融元素向兩邊擴散，部分母材發生液化；加熱溫度繼續升高，達到最大值，中間層兩側母材進一步發生液化，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，導致先發生融化，以及受擠壓作用導致的液體的外溢，濕潤的損失，導致過渡層不均勻;等溫凝固階段，中間層向母材擴散的速度介于固態和液態擴散系數之間，母材與中間層元素發生互相擴散，液相寬度變??；均勻化階段，由于中間層與母材之間的元素擴散，中間過渡層成分穩定，晶粒生長;元素擴散基本完成，晶粒再結晶完成，過渡層與母材成分基本相同，焊接完成。