扩散焊接也称为扩散连接，这是一种焊接方法，其中焊接部件的表面在一定温度和压力下彼此接触，从而扩大焊接表面的物理接触，然后通过长时间的原子间扩散实现结合。扩散焊接是连接非均相金属、耐热合金、复合材料和陶瓷的主要方法。

扩散焊接广泛应用于导电器件和器件制造、电真空设备制造、机械制造和航空航天。航空工业是扩散焊接最重要的应用领域。根据该报告，在过去十年中，美国生产了大量结合扩散焊接和超塑性扩散焊接的B-1轰炸机，包括66个重要的机翼、天平、灯泡和横梁，并焊接了航天飞机的主要推进结构。它由25个扩散焊接部件组成。通过以这种方式制造飞机组件，可以有效地减轻结构重量，节省有价值的材料并降低生产成本。国外扩散焊接技术相对成熟，但国内扩散焊接尚未开始。

本文描述了真空扩散焊接的原理及其优点。

1.真空扩散焊接的原理及其优点

1.1扩散焊头原理

为了在不熔化金属的情况下形成良好的焊接接头，待焊接表面必须紧密粘附，以便在原子吸引力内形成金属键。另一方面，材料表面不平坦且有光泽，在实际表面上有氧化膜、污染物和表面吸附层。

因此，焊缝被加热和加热，表面氧化膜破裂，表面产生塑性变形和高温蠕变，两种材料

图1.扩散焊接的4阶段概略图

当然这四个阶段也不是分得很清楚，而是相互交叉进行，经过扩散过程形成可靠的连接。

1.2.扩散焊的分类与特点

根据被焊接材料的组合形式可以分为无中间层扩散焊和中间层扩散焊，根据焊接母材的不同也可以分为同种材料扩散焊和异种材料焊。

异种材料的焊接在接头中形成与机体不同的新相，新相的性能决定焊接接头的性能，因此研究接头中元素的扩散规律，预测新相的生成至关重要。

FickBottzmann和Matono等对扩散系数D进行了很多研究。Fick提出第一定律，D不随浓度变化而变化，即：

扩散系数D随着浓度而变化，即扩散系统为非稳定状态时，Bottzmann用成分

非变量法：

在此基础上，Matano利用图解法提出了不同浓度下的扩散系数方程：

式中：为扩散通量：C为元素浓度，t为保温时间，x为元素扩散距离，D为扩散系数。

通过张蕾等研究氢对TC4合金扩散焊接加工影响的机理，元素主要通过加速原子扩散、增大再结晶驱动力、促进塑性变形、蠕变三个方面来改善TC4钦合金的扩散焊接加工性。

根据焊接接头是否出现液相，可分为固相扩散焊和液相扩散焊。由于固相分散焊面临塑性变形困难的问题，需要较高的连接温度和较大的压力，通常需要较长的时间，而且固相焊接设备复杂，接头形式也有一定的限制，生产效率比较低。瞬间液相扩散焊可以弥补其缺点。英国Davids.Duvall[6]等人首次利用相图和金属学原理解释了瞬时液相扩散焊TLP（TLP）。瞬时液相扩散焊接是将中间层配置在被连接材料连接表面间，在加热过程中，通过达到中间层的熔点或中间层与母材相互扩散而形成共晶反应产物而形成低熔点的液相合金，从而形成薄的液相中间层液体也可以填充连接材料表面之间的空间，溶解残留在表面上的杂质。随着溶质原子继续扩散到母材中，发生等温凝固，等温凝固结束后，没有残留液相存在的痕迹，形成与母材成分实质上类似的连接接头瞬时液相扩散焊接与焊接同样有微量的液相作用。但与纤维焊接相比，钎焊侧重于母材的润湿，TLP技术侧重于溶解元素向母材的扩散，优势是对母材表面氧化膜有一定的自整理能力，无中间层残留，无界面，可形成微观组织及力学性能与母材相似的接头能够得到比焊接温度重的熔融温度的焊接的接头。

真空技术的发展，真空技术与扩散焊接技术相结合形成了真空扩散焊接技术。真空扩散焊是在真空、高温和施加一定压力条件下，被焊材料表面原子经过长时间的相互扩散、相互渗透，最终实现材料永久连接的方法，与熔融焊接相比，真空扩散焊是焊接过程与空气隔绝，焊接变形小，甚至无变形具有节约材料、耐腐蚀性和相当于母材等优点。

此外，由于材料超塑性的发现，人们又利用材料的高延展性加速了界面接触过程，形成了超塑成形扩散焊。由于超塑材料所具有的超细晶粒，界面区域的晶界密度和晶界扩散的作用大大增加，孔和界面消失的过程D显着增加。超塑性扩散焊接可以是两侧母材具有超塑性的材料，也可以添加超塑性中间层材料来实现扩散连接。

2.扩散焊接工艺对扩散焊接的影响

2.1加热温度

温度增加加快，接头强度也相对较高。受焊接件和夹具的高温强度、母材成分、表面状态、中间层材料以及相变的影响，许多金属材料和合金的加热范围-一般为0.6-0.8Tm（k）（Tm为母材的熔点）。何鹏[！等采用钦为中间层，对TA1合金和基高温合金（GH99）进行扩散连接，研究了扩散连接接头界面结构和连接温度对界面结构和连接性能的影响，探讨了连接界面反应层的形成机理；结果表明，GH99/Ti/TiAl的界面结构为：GH99/（NiCr）表明为/Ti富NCr）/TiNi/Ti2Ni/a-Ti+Ti2Ni/Ti（Al）的s/TiAI+Ti3Al/TA随着连接温度的升高，各反应层厚度增加，接头的电阻强度先增加后减小，连接温度1173K，连接时间30min，连接压力20MPa

时，剪切强度最高为260.7MPa.Ohsaa[121等建立了Ni合金的动力学模型，用差分法进行扩散的计算，得到了焊接温度和焊接时间对元素扩散的作用。

2.2.保温时间

保温时间是指焊接温度下焊接件的保持时间。保温时间太短，扩散焊压头达不到与稳定母材相等的强度，高温高压下保持时间过长，对扩散焊压头没有进一步提高的作用，反而可使母材晶粒长大。保温时间与温度和压力密切相关，采用较高的温度和压力可缩短焊接时间。从提高生产率的观点出发，保温时间越短越好。

林红香等Zr/Cu/Zr瞬间液相扩散连接TCN）陶瓷基体试验重点研究了保温时间对元素扩散及界面反应产物的影响，结果表明：在特定焊接工艺条件下，元素Ti、AI、Zr、Cu在界面相互扩散，形成TCN）以CuZr2+CuZr+ZrO/Cu为主要组织的过渡型界面接头的最高弯曲强度可达320MPa，最佳工艺参数为950C、3MPa，保温时间为15min~30min，此时界面组织均匀致密，可获得力学性能高的焊接接头。

Nishimoto等人使用MBF80非晶中间层，在1250C/30mi和1275C/25min两种工艺条件下，将CMSX-2单晶镍基合金与TLP连接，进行焊接后的固溶时效处理。试验表明，TLP接头650C~900C的高温抗拉强度略大于CMSX2基体，耐久强度接近母材。

李晓红等人以本国第一代基单晶高温合金DD3为研究对象，将DIF作为中间层合金，在1250C保温4、24、36h，1250C/4h扩散焊接头在焊接中心线上少量块状y相和W、Mo、Cr复合碳确化合物的相外部分为母材组织得到与成分大致一致y+Y’两相组织y沉淀相尺寸为约0.5~1.2um

2.3.压力

施加压力的主要作用是使结合面的微突起部分发生塑性变形，从而实现粘附促进界面区域的扩散，加速再结晶的过程。高压力可产生大的表层塑性变形，降低表层再结晶温度，加速晶界迁移。高压力有利于第四阶段的进行，有利于微孔的收缩和去除，也可以减少异种金属的扩散孔。焊接压力也不宜过大导致焊接件变形，同时对设备要求过高，应从经济角度选择小压力。

对于瞬时液相扩散焊接，压力参数只是旨在使焊接面良好地接触，如果通过添加中间层材料能够有效地提高扩散速度，则也可以不施加压力而施加小的压力。

以Ni71CrSi高温材料为中间层金属，对GH3128基高温合金进行了压焊试验，通过强度试验结果的正交分析，焊接温度是对接头力学性能产生决定性影响的因素各因素常温性能的影响顺序为：焊接温度＞保温时间＞因素对高温力学性能的影响顺序为：焊接温度＞焊接压力＞保相花门其单件件对高一件的名败也是昨天的关重费。

为了便于研究，扩散焊接通常分为以下四个步骤进行讨论。

第一阶段是物理接触的初始阶段，表面不是平面，图中仅示出了每个接触点的接触的一部分。

第二阶段是塑性变形阶段，其在施加的压力的作用下通过弹性和蠕变机构导致表面的塑性变形，表面的接触表面逐渐增加，最终实现未到达接合区的整个界面的可靠接触，如图1B所示。

第三阶段是基本扩散和反应阶段，其中接触表面的原子通过扩散相互干扰，形成紧密键，导致缺陷，如晶格失真、位错、间隙等，从而显着增加界面能量，并且原子处于有利于扩散的高级活性状态。

第四步是质量扩散阶段，微孔逐渐消失，如图1D所示，组织成分逐渐均匀化，最终颗粒通过晶界界面生长，原始界面消失。

2.4.中间层材料的选择

为了降低扩散焊的连接温度、保温时间和压力，提高接头的性能，促进扩散的进行，扩散焊经常在焊接的材料之间插入中间层，尤其对于异种材料的连接中间层材料尤为重要。中间层向高合众因态扩大州出发，命王要用两根温技合变形，增加贴合面积，加速扩散，降低连接温度和时间，阻碍有害金属间的化合

为了保证焊接质量和焊接实验的顺利进行，中间过渡层的选择主要遵循以下两点：中间层材料的热膨胀系数介于母材之间：中间层金属不会与基体金属发生不良的冶金反应，如脆性金属间化合物等产生有害相[8]。

北京航空材料研究院李晓红、毛唯等对国内自行研制的第二代单件合金DD6瞬态液相扩散焊接工艺进行了研究，中间层合金主要成分与DD6母材基本一致，同时加入一定量的B作为降元素，采用129C /12h规范扩散焊接头的连接界面大约一半的区域是与DD6母材类似的y+娘′组织预制其他区域，在高固溶体基体上分布着不同形态的硼化物，其980C的持久性能接近母材性能指标的90%：将扩散焊接保温时间延长到24h，连接界面上的不均匀区域减少其980C和100C的持久性能分别达到母材性能指标的90%~100%和70%~80%。

对于镍基高温合金的焊接，由于变形困难，采用固相扩散焊接需要较大的压力和较长的时间，导致材料晶粒粗化，严重损害材料的性能。Han wB人[81等将镍箔作为中间层在IN718上进行固相扩散焊接。试验表明，取25um镍箔，在焊接温度1273~1323K030MP蒙保温时间为45~-60ie时，可获得良好的焊接界面，在室温下，断位发生在母材侧。

周媛等人采用磁控溅射技术在TA15合金表面沉积薄膜，在DD6单晶高温合金表面沉积Ni薄膜，以TiNi薄膜为中间层进行低温扩散焊接研究。

X射线衍射分析表明，Ti、Ni薄膜均为多品体结构，AFM分析表明，薄膜沉积后，TA15合金和DD6单晶衬底的表面粗糙度降低。以T、Ni薄膜为中间层，以800C/20MPa/2h规格实现了TA15合金和DD6单晶高温合金的异种材料的低温扩散连接。扫描电镜和能谱分析表明，Ti、Ni两种元素都扩散到不同的母材界面，整个接合处呈层状组织，主要为Ti2Ni和TiNi相。

Gale等人提出了“宽间隙”TLP连接的概念，其中TiAI金属间化合物材料（铸造Ti-48 at%A1-2at%Cr-2at%Nb合金）和NiA1-Hf与锦基高温合金MM247的连接的“宽间隙”TLP连接采用120]复合中间层，其中在液相形成元件中加入了标称上的非熔融元件。

Nieman和Garrett等人使用Cu作为中间层低温低压结合的AI-b-B复合材料使用共晶结合，其中Nieman和Garrett等人的有效性达到100%。

2.5.材料表面处理

焊接表面的清洁度和平整度对焊接接头也有重要影响。扩散焊组装前必须对扩散焊表面进行处理。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，去除表面有机物膜，一般经过除油、机械加工、磨削、抛光、酸洗等措施，也可在真空烘箱中煅烧得到清洁表面。机械加工的固化层经常使用化学侵蚀法进行清洁。表面处理的要求还与焊接温度和压力有关，随着连接温度和压力的升高，对表面的要求越来越低。

2.6.阻焊剂

对于扩散焊接，需要阻焊剂，以防止压头与焊接零件或焊接零件之间的区域通过扩散焊接粘结。阻焊剂的熔点或软化点一般高于焊接温度，具有较好的高温化学稳定性，不与焊接件夹持或压发发生化学反应，不影响焊接件表面，不破坏保护气氛或真空度。在钢-钢扩散焊的情况下，可以使用人造云母片作为隔离压头，在钦-铁扩散焊的情况下，可以涂布氮化硼或氧化记忆粉末。

3.焊接后的质量检查

扩散焊接头焊接质量检验方法采用随机抽检进行金相检验，结合超声波等非破坏性检验手段。目前，没有可靠的非破坏性检测方法，其使紧密接触且未通过界面不良焊接区域的接头晶粒生长。在生产和试验过程中使用超高频（>50MHz）超声扫描检测装置进行检测仅对明显分离的未焊接和尺寸较大的孔有效。因此，必须开展研究，探索可靠的检测方法。目前还没有国内航空扩散焊质量验收的标准，需要通过工艺参数及工艺程序的研究和实际应用的积累来建立有效的标准126。

采用何鹏等人扫描电镜、电子探针和X射线照射等方法对连接界面进行分析，焊接后，根据标准DIN8526一1977，用抗切割强度值评价连接强度。

国外关于钎焊、扩散焊接头无损检测的研究报告较多对于焊缝单面为平面或近似平面的结构，多采用超声波C扫描检测焊缝中的未焊、气孔等缺陷，但对于扩散焊接头中易产生的密合弱结合缺陷超声波C扫描几乎检测不到。涡流检测技术已用于检测纤维焊接蜂窝焊缝分布情况，渗透检测技术用于焊缝外缘焊接情况的检测。但是，对于一部分的零件形状，形状特别复杂，或者由于焊缝的周围构造，不能实施接头检测的焊接，往往需要通过其他方法来解决。

超声检测起着非常重要的作用，但超声检测也存在时间分辨低、反射率低、波长大于缺陷尺寸等不足。这是瞬时液相扩散焊发展的一个方向。

4.扩散焊接的数值模拟与模拟

为了更好地研究扩散焊接规律，运用计算技术，对接头行为进行数值模拟以找到共同规律，同时预测和实时控制扩散连接过程和质量无疑也是今后研究的重点1281。

Grant等人29根据TLP的焊接原理模拟的焊接过程图：焊接前期，焊接温度达到中间层熔点，中间层温度上升，中间层溶解：焊接温度继续上升，中间层完全溶解，降熔元素向两侧扩散，部分母材液化，加热温度继续上升达到最大值，中间层两侧母材进一步液化，液宽达到最大值。加热方式导致母材表面受热温度先达到最大值，先发生熔化，及挤出作用引起的液体流出、湿润损失、过渡层不均匀，在等温凝固阶段，中间层对母材的护散速度处于固态与液体扩散系数间，母材与中间层元素相互扩散，波相宽度变小均匀化阶段，中间层与母材之间的元素扩散使中间过渡层成分稳定，晶粒生长：元素扩散基本完成，晶粒再结晶完成，过渡层与母材成分基本相同，焊接完成。

5.展望

随着国内新型航空发动机工作温度的逐步升高，镍铝基金属化合物、钦铝基金属间化合物与镍基单晶高温合金及粉末合金、陶瓷及复合材料等难焊材料的连接逐渐增加。扩散焊以其焊接材料范围广、焊接接头强度和成分接近母材为首选的焊接方法，也越来越受到焊接工人的青睐。综合扩散焊的温度、压力、保温时间、中间层的选择和焊后质量检测等方面的探讨，认为扩散焊应向以下几个方面发展：

（1）新材料及难焊材料扩散焊接工艺的开发。随着新材料研发和制造的发展，材料连接技术也必须发展，才能使材料发挥优异的性能。

（2）扩散焊接工艺参数的优化。探索最佳扩散焊接工艺，实现大规模生产，节约生产时间，降低生产成本。

（3）瞬时液相扩散焊中间层的开发。探索和改进了各种材料扩散焊接的中间层合金体系，为各种材料扩散焊接工艺提供参考。

4）扩散焊接设备的研制与开发。扩散焊接设备一次投资成本高，且多为国外设备，限制了扩散焊接技术的适用性。国内应加强扩散焊接设备的开发与开发，实现国产化，降低生产成本。

（5）焊接后质量检测方法的完善。目前，一般需要通过扫描电镜、X射线、非破坏性检查等方法，以及焊接接头强度检查来评价焊接质量，进一步改进焊接检查

方法。

（6）焊后质量验收标准的完善。焊接工艺和焊接接头的好坏，以及是否达到工程标准检测标准的完善。

（7）扩散焊接的计算机模拟与仿真。随着计算机技术的发展，扩散焊接也可以实现计算机仿真和仿真。计算机模拟元件的扩散过程有助于研究扩散焊接的动力学，为获得高性能接头提供理论指导。

总之，扩散焊接还有很多需要解决的问题。国外扩散焊接技术广泛应用于航空工业，要达到国际领先水平还有很长的路要走。