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1、LOGO扩散连接原理 7.1 概述概述 扩散连接扩散连接扩散连接扩散连接(Diffusion Bonding)(Diffusion Bonding)是一种精密连是一种精密连是一种精密连是一种精密连接方法，特别适合于异种金属材料、耐热合金和新材接方法，特别适合于异种金属材料、耐热合金和新材接方法，特别适合于异种金属材料、耐热合金和新材接方法，特别适合于异种金属材料、耐热合金和新材料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的连接。料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的连接。料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的连接。料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的连接。随着新材料的迅速发展，近年来
2、更加引起了人们的兴随着新材料的迅速发展，近年来更加引起了人们的兴随着新材料的迅速发展，近年来更加引起了人们的兴随着新材料的迅速发展，近年来更加引起了人们的兴趣和关注，并在航空、航天、电子和原子能等高技术趣和关注，并在航空、航天、电子和原子能等高技术趣和关注，并在航空、航天、电子和原子能等高技术趣和关注，并在航空、航天、电子和原子能等高技术领域得到了广泛应用。领域得到了广泛应用。领域得到了广泛应用。领域得到了广泛应用。7.1.1 7.1.1 扩散连接的定义及其特点扩散连接的定义及其特点扩散连接的定义及其特点扩散连接的定义及其特点 扩散连接扩散连接扩散连接扩散连接是将两待连接工件紧压在一起，置于真
3、空或保是将两待连接工件紧压在一起，置于真空或保是将两待连接工件紧压在一起，置于真空或保是将两待连接工件紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两连护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两连护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两连护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两连接表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，接表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，接表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，接表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连再经保温、原子相互扩散而
4、形成牢固的冶金结合的一种连再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。接方法。接方法。接方法。可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。温度和压力的作用主要是温度和压力的作用主要是温度和压力的作用主要是温度和压力的作用
5、主要是:使连接表面微观凸起处产使连接表面微观凸起处产使连接表面微观凸起处产使连接表面微观凸起处产生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。扩散连接时控制和保证接头质量的主要因素是连接扩散连接时控制和保证接头质量的主要因素是连接扩散连接时控制和保证接头质量的主要因素是连接扩散连接时控制和保证接头质量的主要因素是连接界面区原子扩散的情况。这正是扩散连接与其它连接界面区原子扩散的情况。这正是扩散连接与其它连接界面区原子扩散的情况。这正是扩散连接
6、与其它连接界面区原子扩散的情况。这正是扩散连接与其它连接方法的不同之处，并因此而得名。方法的不同之处，并因此而得名。方法的不同之处，并因此而得名。方法的不同之处，并因此而得名。随着扩散连接的发展和工艺方法的多样化，为了随着扩散连接的发展和工艺方法的多样化，为了随着扩散连接的发展和工艺方法的多样化，为了随着扩散连接的发展和工艺方法的多样化，为了加速连接过程和降低对连接表面制备质童的要求，常加速连接过程和降低对连接表面制备质童的要求，常加速连接过程和降低对连接表面制备质童的要求，常加速连接过程和降低对连接表面制备质童的要求，常在被连接材料之间插人一层很薄的、容易变形的、促在被连接材料之间插人一层很
7、薄的、容易变形的、促在被连接材料之间插人一层很薄的、容易变形的、促在被连接材料之间插人一层很薄的、容易变形的、促进扩散的材料，即进扩散的材料，即进扩散的材料，即进扩散的材料，即中间扩散层中间扩散层中间扩散层中间扩散层。有时，中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少有时，中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少有时，中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少有时，中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少量液相合金或直接通过低熔点中间层的熔化形成液态量液相合金或直接通过低熔点中间层的熔化形成液态量液相合金或直接通过低熔点中间层的熔化形成液态量液相合金或直接通过低熔点中间层的熔化形成液态合金，填充缝隙而形成接头，这就
8、是合金，填充缝隙而形成接头，这就是合金，填充缝隙而形成接头，这就是合金，填充缝隙而形成接头，这就是瞬间液相扩散连瞬间液相扩散连瞬间液相扩散连瞬间液相扩散连接接接接。与其它连接方法、特别是熔化焊相比，扩散连接具有与其它连接方法、特别是熔化焊相比，扩散连接具有与其它连接方法、特别是熔化焊相比，扩散连接具有与其它连接方法、特别是熔化焊相比，扩散连接具有下列优点和特点下列优点和特点下列优点和特点下列优点和特点:l l）连接温度低，一般为母材熔化温度的）连接温度低，一般为母材熔化温度的）连接温度低，一般为母材熔化温度的）连接温度低，一般为母材熔化温度的0.40.40.80.8倍左倍左倍左倍左右，因而排除
9、了由于母材熔化、焊缝结晶可能带来的种种右，因而排除了由于母材熔化、焊缝结晶可能带来的种种右，因而排除了由于母材熔化、焊缝结晶可能带来的种种右，因而排除了由于母材熔化、焊缝结晶可能带来的种种冶金缺陷冶金缺陷冶金缺陷冶金缺陷(如气孔、裂纹和脆化等如气孔、裂纹和脆化等如气孔、裂纹和脆化等如气孔、裂纹和脆化等)对接头性能的影响对接头性能的影响对接头性能的影响对接头性能的影响;2 2）由于是在固态下连接且连接压力并未引起塑性变形，）由于是在固态下连接且连接压力并未引起塑性变形，）由于是在固态下连接且连接压力并未引起塑性变形，）由于是在固态下连接且连接压力并未引起塑性变形，因而连接构件的尺寸精度高因而连接
10、构件的尺寸精度高因而连接构件的尺寸精度高因而连接构件的尺寸精度高;3 3）与其它连接方法相比，由热循环引起的连接接头区）与其它连接方法相比，由热循环引起的连接接头区）与其它连接方法相比，由热循环引起的连接接头区）与其它连接方法相比，由热循环引起的连接接头区域的残余应变和残余应力非常小域的残余应变和残余应力非常小域的残余应变和残余应力非常小域的残余应变和残余应力非常小;4 4）扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法）扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法）扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法）扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法 难以连接的材料，如弥散强化型合金、活性金属、高
11、熔点难以连接的材料，如弥散强化型合金、活性金属、高熔点难以连接的材料，如弥散强化型合金、活性金属、高熔点难以连接的材料，如弥散强化型合金、活性金属、高熔点金属、耐热合金和复合材料等金属、耐热合金和复合材料等金属、耐热合金和复合材料等金属、耐热合金和复合材料等;也可实现熔化焊难以焊接也可实现熔化焊难以焊接也可实现熔化焊难以焊接也可实现熔化焊难以焊接的各种不同类型、冶金上互不相容的异种金属材料以及金的各种不同类型、冶金上互不相容的异种金属材料以及金的各种不同类型、冶金上互不相容的异种金属材料以及金的各种不同类型、冶金上互不相容的异种金属材料以及金属与陶瓷的连接属与陶瓷的连接属与陶瓷的连接属与陶瓷的
12、连接;5)5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时进行进行进行进行;6)6)借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没有损失。
13、有损失。有损失。有损失。7)7)可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高的可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高的可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高的可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高的各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝夹各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝夹各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝夹各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝夹芯板等芯板等芯板等芯板等;但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、并能均匀加压，
14、因而，生产率较低，加之所用设备较并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较贵，使其应用范围受到一定限制。贵，使其应用范围受到一定限制。贵，使其应用范围受到一定限制。贵，使其应用范围受到一定限制。7.1.2 扩散连接方法的分类扩散连接方法的分类 扩散连接发展至今，已出现了多种扩散连接方法，扩散连接发展至今，已出现了多种扩散连接方法，扩散连接发展至今，已出现了多种扩散连接方法，扩散连接发展至今，已出现了多种扩散连接方法，可根据不同的准则进行分类。从连接的定义来看，一旦待可根据不同的准则进行分类。从连接的
15、定义来看，一旦待可根据不同的准则进行分类。从连接的定义来看，一旦待可根据不同的准则进行分类。从连接的定义来看，一旦待连接材料之间达到了紧密接触，对连接起主要作用的就是连接材料之间达到了紧密接触，对连接起主要作用的就是连接材料之间达到了紧密接触，对连接起主要作用的就是连接材料之间达到了紧密接触，对连接起主要作用的就是扩散过程。而紧密接触和扩散过程受温度以及扩散连接界扩散过程。而紧密接触和扩散过程受温度以及扩散连接界扩散过程。而紧密接触和扩散过程受温度以及扩散连接界扩散过程。而紧密接触和扩散过程受温度以及扩散连接界面的性质面的性质面的性质面的性质(固相界面还是固液界而固相界面还是固液界而固相界面还
16、是固液界而固相界面还是固液界而)的影响最为显著。因此，的影响最为显著。因此，的影响最为显著。因此，的影响最为显著。因此，以下我们将分别讨论固相扩散连接和液相扩散连接的原理以下我们将分别讨论固相扩散连接和液相扩散连接的原理以下我们将分别讨论固相扩散连接和液相扩散连接的原理以下我们将分别讨论固相扩散连接和液相扩散连接的原理和过程。当然，也可按连接时是否使用中间层、连接气氛和过程。当然，也可按连接时是否使用中间层、连接气氛和过程。当然，也可按连接时是否使用中间层、连接气氛和过程。当然，也可按连接时是否使用中间层、连接气氛来分类，具体的几种分类方法见图来分类，具体的几种分类方法见图来分类，具体的几种分
17、类方法见图来分类，具体的几种分类方法见图7 7一一一一1 1。图图图图7 7一一一一1 1 扩散焊分类图扩散焊分类图扩散焊分类图扩散焊分类图 扩散连接扩散连接扩散连接扩散连接是一种适合于同种或异种金属、合金是一种适合于同种或异种金属、合金是一种适合于同种或异种金属、合金是一种适合于同种或异种金属、合金(特别特别特别特别是难熔和可熔焊性差的金属材料是难熔和可熔焊性差的金属材料是难熔和可熔焊性差的金属材料是难熔和可熔焊性差的金属材料)和无机非金属材料连和无机非金属材料连和无机非金属材料连和无机非金属材料连接的技术。各种材料接的技术。各种材料接的技术。各种材料接的技术。各种材料扩散连接接头组合扩散连
18、接接头组合扩散连接接头组合扩散连接接头组合可分为四种类可分为四种类可分为四种类可分为四种类型，如图型，如图型，如图型，如图7-27-2。图图图图7 7一一一一2 2 扩散焊接头四种组合类型扩散焊接头四种组合类型扩散焊接头四种组合类型扩散焊接头四种组合类型 (a)(a)同类材料；同类材料；同类材料；同类材料；(b)(b)异类材料；异类材料；异类材料；异类材料；(c)(c)同类材料加中间扩散层；同类材料加中间扩散层；同类材料加中间扩散层；同类材料加中间扩散层；(d)(d)异类材料加中间扩散层异类材料加中间扩散层异类材料加中间扩散层异类材料加中间扩散层 为了加速连接过程、降低对连接表面加工精度的要求
19、，为了加速连接过程、降低对连接表面加工精度的要求，为了加速连接过程、降低对连接表面加工精度的要求，为了加速连接过程、降低对连接表面加工精度的要求，防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金属防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金属防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金属防止连接异种材料时产主低熔点共晶液相和脆性中间金属间化合物等不利的冶金反应，减少或消除因线膨胀差异引间化合物等不利的冶金反应，减少或消除因线膨胀差异引间化合物等不利的冶金反应，减少或消除因线膨胀差异引间化合物等不利的冶金反应，减少或消除因线膨胀差异引起的残余应力，采取在被连接材料之间加人另一种材料的起的
20、残余应力，采取在被连接材料之间加人另一种材料的起的残余应力，采取在被连接材料之间加人另一种材料的起的残余应力，采取在被连接材料之间加人另一种材料的方法，如图方法，如图方法，如图方法，如图7 7一一一一2(c)2(c)，(d)(d)所示。这种方法称为所示。这种方法称为所示。这种方法称为所示。这种方法称为加中间扩散夹加中间扩散夹加中间扩散夹加中间扩散夹层的扩散连接层的扩散连接层的扩散连接层的扩散连接。7.1.3 扩散连接的研究与应用扩散连接的研究与应用 由于扩散连接所具的上述优点，因此，在发展初期由于扩散连接所具的上述优点，因此，在发展初期由于扩散连接所具的上述优点，因此，在发展初期由于扩散连接所
21、具的上述优点，因此，在发展初期就受到国内外科学家们的高度重视。在就受到国内外科学家们的高度重视。在就受到国内外科学家们的高度重视。在就受到国内外科学家们的高度重视。在2020世纪世纪世纪世纪2020一一一一3030年年年年代就成为了日臻成熟与完善的连接方法。在发达国家，扩代就成为了日臻成熟与完善的连接方法。在发达国家，扩代就成为了日臻成熟与完善的连接方法。在发达国家，扩代就成为了日臻成熟与完善的连接方法。在发达国家，扩散连接在尖端科学技术部门起着十分重要的作用，且扩散散连接在尖端科学技术部门起着十分重要的作用，且扩散散连接在尖端科学技术部门起着十分重要的作用，且扩散散连接在尖端科学技术部门起着
22、十分重要的作用，且扩散连接已发展为一种高生产率的、在众多企业中获得广泛应连接已发展为一种高生产率的、在众多企业中获得广泛应连接已发展为一种高生产率的、在众多企业中获得广泛应连接已发展为一种高生产率的、在众多企业中获得广泛应用的连接技术。用的连接技术。用的连接技术。用的连接技术。5050年代研究成功的瞬间液相扩散连接获年代研究成功的瞬间液相扩散连接获年代研究成功的瞬间液相扩散连接获年代研究成功的瞬间液相扩散连接获得美国专利得美国专利得美国专利得美国专利7070年代又开发了超塑性成形一扩散连接。年代又开发了超塑性成形一扩散连接。年代又开发了超塑性成形一扩散连接。年代又开发了超塑性成形一扩散连接。这
23、些新方法，不仅大大拓宽了扩散连接的适用范国这些新方法，不仅大大拓宽了扩散连接的适用范国这些新方法，不仅大大拓宽了扩散连接的适用范国这些新方法，不仅大大拓宽了扩散连接的适用范国.促进了本身的发展，而且还解决了弥散强化的高温合金促进了本身的发展，而且还解决了弥散强化的高温合金促进了本身的发展，而且还解决了弥散强化的高温合金促进了本身的发展，而且还解决了弥散强化的高温合金 蜗轮叶片、超音速飞机中钦合金构件的连接问题，使钛合蜗轮叶片、超音速飞机中钦合金构件的连接问题，使钛合蜗轮叶片、超音速飞机中钦合金构件的连接问题，使钛合蜗轮叶片、超音速飞机中钦合金构件的连接问题，使钛合金在宇航工业中的应用取得了重要
24、突破，获得了重大的经金在宇航工业中的应用取得了重要突破，获得了重大的经金在宇航工业中的应用取得了重要突破，获得了重大的经金在宇航工业中的应用取得了重要突破，获得了重大的经济效益。特别是近年来随着各种新型结构材料济效益。特别是近年来随着各种新型结构材料济效益。特别是近年来随着各种新型结构材料济效益。特别是近年来随着各种新型结构材料(如陶瓷、如陶瓷、如陶瓷、如陶瓷、复合材料、金属间化合物等复合材料、金属间化合物等复合材料、金属间化合物等复合材料、金属间化合物等)的迅猛发展，在国际上又掀的迅猛发展，在国际上又掀的迅猛发展，在国际上又掀的迅猛发展，在国际上又掀 起了扩散连接研究与应用的又一个高潮。起了
25、扩散连接研究与应用的又一个高潮。起了扩散连接研究与应用的又一个高潮。起了扩散连接研究与应用的又一个高潮。我国在我国在我国在我国在2020世纪世纪世纪世纪5050年代末期才开始对扩散连接方法进年代末期才开始对扩散连接方法进年代末期才开始对扩散连接方法进年代末期才开始对扩散连接方法进行研究，行研究，行研究，行研究，7070年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前，年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前，年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前，年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前，大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞大型超高真空扩散焊机、钛一陶
26、瓷静电加速管和钛合金飞大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国家相比仍有较大的差距。家相比仍有较大的差距。家相比仍有较大的差距。家相比仍有较大的差距。Contents 7.2 固相扩散连接固
27、相扩散连接 7.2.1 7.2.1 固相扩散连接的基本原理固相扩散连接的基本原理固相扩散连接的基本原理固相扩散连接的基本原理 金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列的原子金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列的原子金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列的原子金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列的原子集团。扩散连接时，首先必须要使待连接母材表面接近到集团。扩散连接时，首先必须要使待连接母材表面接近到集团。扩散连接时，首先必须要使待连接母材表面接近到集团。扩散连接时，首先必须要使待连接母材表面接近到相互原子间的引力作用范围。图相互原子间的引力作用范围。图相互原子间的引力作用范围。图相互原
28、子间的引力作用范围。图7-37-3为原子间作用力和原为原子间作用力和原为原子间作用力和原为原子间作用力和原子间距关系的示意图。可以看出，两个原子充分远离时其子间距关系的示意图。可以看出，两个原子充分远离时其子间距关系的示意图。可以看出，两个原子充分远离时其子间距关系的示意图。可以看出，两个原子充分远离时其相互间的作用引力几乎为零，随着原子间距离的不断靠近，相互间的作用引力几乎为零，随着原子间距离的不断靠近，相互间的作用引力几乎为零，随着原子间距离的不断靠近，相互间的作用引力几乎为零，随着原子间距离的不断靠近，相互引力不断增大。相互引力不断增大。相互引力不断增大。相互引力不断增大。当原子间距约为
29、金属晶体原子点阵平均原子间距的当原子间距约为金属晶体原子点阵平均原子间距的当原子间距约为金属晶体原子点阵平均原子间距的当原子间距约为金属晶体原子点阵平均原子间距的1.51.5倍时，引力达到最大。如果原子进一步靠近，则引力倍时，引力达到最大。如果原子进一步靠近，则引力倍时，引力达到最大。如果原子进一步靠近，则引力倍时，引力达到最大。如果原子进一步靠近，则引力和斥力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能量角度和斥力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能量角度和斥力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能量角度和斥力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能量角度 看此状态最稳定。这时，自由电子成为共有，
30、与晶格点阵看此状态最稳定。这时，自由电子成为共有，与晶格点阵看此状态最稳定。这时，自由电子成为共有，与晶格点阵看此状态最稳定。这时，自由电子成为共有，与晶格点阵的金属离子相互作用形成金属健，使两材料间形成冶金结的金属离子相互作用形成金属健，使两材料间形成冶金结的金属离子相互作用形成金属健，使两材料间形成冶金结的金属离子相互作用形成金属健，使两材料间形成冶金结合。通过上述过程和机理来实现连接的方法即为合。通过上述过程和机理来实现连接的方法即为合。通过上述过程和机理来实现连接的方法即为合。通过上述过程和机理来实现连接的方法即为扩散连接扩散连接扩散连接扩散连接。但由于实际的材料表面不可能完全平整和清
31、洁，因而但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的表面结构如图表面结构如图表面结构如图表面结构如图7 7一一一一4 4所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，最外层表面还有最外层表面还有最外层表面还有最外层表
32、面还有0.20.20.3nm0.3nm的气体吸附层，主要是水的气体吸附层，主要是水的气体吸附层，主要是水的气体吸附层，主要是水蒸气、氧、蒸气、氧、蒸气、氧、蒸气、氧、COCO2 2和和和和HH2 2S S。在吸附层之下为。在吸附层之下为。在吸附层之下为。在吸附层之下为3 3 4nm4nm厚的厚的厚的厚的氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。在氧化层之下是在氧化层之下是在氧化层之下是在氧化层之下是1 1 10m10m的变形层。的
33、变形层。的变形层。的变形层。也就是说，不管进行怎样的精密加工和严格的清洗，实际的待连也就是说，不管进行怎样的精密加工和严格的清洗，实际的待连也就是说，不管进行怎样的精密加工和严格的清洗，实际的待连也就是说，不管进行怎样的精密加工和严格的清洗，实际的待连接表面总是存在微观凹凸、加工硬化层、气体吸附层、有机物和水分接表面总是存在微观凹凸、加工硬化层、气体吸附层、有机物和水分接表面总是存在微观凹凸、加工硬化层、气体吸附层、有机物和水分接表面总是存在微观凹凸、加工硬化层、气体吸附层、有机物和水分吸附层以及氧化物层。再有，两母材在连接表面的晶体位向不同、不吸附层以及氧化物层。再有，两母材在连接表面的晶体
34、位向不同、不吸附层以及氧化物层。再有，两母材在连接表面的晶体位向不同、不吸附层以及氧化物层。再有，两母材在连接表面的晶体位向不同、不同材料的晶体结构也不相同。这些因素都会影响到连接过程及连接机同材料的晶体结构也不相同。这些因素都会影响到连接过程及连接机同材料的晶体结构也不相同。这些因素都会影响到连接过程及连接机同材料的晶体结构也不相同。这些因素都会影响到连接过程及连接机理。理。理。理。图图7一一3 原子之间作用力与原子原子之间作用力与原子间距离的关系间距离的关系图图7一一4 固体金属的表面结构固体金属的表面结构 扩散连接时，通过对连接界面加压和加热，使扩散连接时，通过对连接界面加压和加热，使扩
35、散连接时，通过对连接界面加压和加热，使扩散连接时，通过对连接界面加压和加热，使得表面的氧化膜破碎、表面微观凸出部发生塑性得表面的氧化膜破碎、表面微观凸出部发生塑性得表面的氧化膜破碎、表面微观凸出部发生塑性得表面的氧化膜破碎、表面微观凸出部发生塑性变形和高温蠕变。因此，在若干微小区域出现金变形和高温蠕变。因此，在若干微小区域出现金变形和高温蠕变。因此，在若干微小区域出现金变形和高温蠕变。因此，在若干微小区域出现金属之间的结合。这些区域进一步通过连接表面微属之间的结合。这些区域进一步通过连接表面微属之间的结合。这些区域进一步通过连接表面微属之间的结合。这些区域进一步通过连接表面微小凸出部位的塑性变
36、形、母材之间发生的原子相小凸出部位的塑性变形、母材之间发生的原子相小凸出部位的塑性变形、母材之间发生的原子相小凸出部位的塑性变形、母材之间发生的原子相互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金属键结合时，也就最终完成了扩散连接过程。属键结合时，也就最终完成了扩散连接过程。属键结合时，也就最终完成了扩散连接过程。属键结合时，也就最终完成了扩散连接过程。7.2.2 固相扩散连接过程固相扩散连接过程 目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程
37、：（：（1）塑性塑性变形使连接表面接触变形使连接表面接触;（2）晶界迁移和孔洞消失）晶界迁移和孔洞消失;(3)界界面和孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。面和孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。(1)塑性变形使连接表面接触塑性变形使连接表面接触 固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后再进行研磨、抛光再进行研磨、抛光(包括化学抛光包括化学抛光)和清洗，加工后材料表和清洗，加工后材料表面在微观上仍然是粗糙的、存在许多面在微观上仍然是粗糙的、存在许多0.1一一5m的微观凹的微观凹凸，且表面还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相互凸
38、，且表面还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相互接触，在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰处接触，在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰处出现接触，如图出现接触，如图7-5(a。初始接触区面积的大小与材料性。初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及其它许多因素有关。质、表面加工状态以及其它许多因素有关。图图图图7-5 7-5 扩散焊接过程三阶段机理示意图扩散焊接过程三阶段机理示意图扩散焊接过程三阶段机理示意图扩散焊接过程三阶段机理示意图(a)(a)室温装配状态室温装配状态室温装配状态室温装配状态;(b);(b)第一阶段第一阶段第一阶段第一阶段;(C;(C第二阶段第二阶段第二阶
39、段第二阶段;(d);(d)第三阶段第三阶段第三阶段第三阶段 初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及初始接触区面积的大小与材料性质、表面加工状态以及其它许多因素有关。只有在高温下通过对连接体施加压力，其它许多因素有关。只有在高温下通过对连接体施加压力，其它许多因素有关。只有在高温下通过对连接体施加压力，其它许多因素有关。只有在高温下通过对连接体施加压力，才能使表面微观凸出部位发生塑性变形，氧化膜破坏，使才能使表面微观凸出部位发生塑性变形，氧化膜破坏，使才能使表面微观凸出部位发生塑性变形，氧化
40、膜破坏，使才能使表面微观凸出部位发生塑性变形，氧化膜破坏，使材料间紧密接触面积不断增大，直到接触面积可以抵抗外材料间紧密接触面积不断增大，直到接触面积可以抵抗外材料间紧密接触面积不断增大，直到接触面积可以抵抗外材料间紧密接触面积不断增大，直到接触面积可以抵抗外载引起的变形，这时局部应力低于材料的屈服强度，如图载引起的变形，这时局部应力低于材料的屈服强度，如图载引起的变形，这时局部应力低于材料的屈服强度，如图载引起的变形，这时局部应力低于材料的屈服强度，如图7 7一一一一5(b)5(b)和图和图和图和图7 7一一一一6 6所示。所示。所示。所示。图图图图7 7一一一一6 6 扩散连接初期表面粗扩
41、散连接初期表面粗扩散连接初期表面粗扩散连接初期表面粗 糙度的下降糙度的下降糙度的下降糙度的下降图图图图7-7 7-7 钢扩散连接接头拉伸断口钢扩散连接接头拉伸断口钢扩散连接接头拉伸断口钢扩散连接接头拉伸断口 的徽观形貌的徽观形貌的徽观形貌的徽观形貌(T=800(T=800，t=4mint=4min，P=16MPa)P=16MPa)图图图图7 7一一一一7 7为为为为CuCu短时扩散连短时扩散连短时扩散连短时扩散连接接多拉伸断口形貌，图中黑接接多拉伸断口形貌，图中黑接接多拉伸断口形貌，图中黑接接多拉伸断口形貌，图中黑色区域为未实现连接的区域，色区域为未实现连接的区域，色区域为未实现连接的区域，色
42、区域为未实现连接的区域，白色带状区域为连接好的区域白色带状区域为连接好的区域白色带状区域为连接好的区域白色带状区域为连接好的区域拉伸时形成的韧窝。材料不同拉伸时形成的韧窝。材料不同拉伸时形成的韧窝。材料不同拉伸时形成的韧窝。材料不同时，上述特征也会发生变化。时，上述特征也会发生变化。时，上述特征也会发生变化。时，上述特征也会发生变化。图图图图7-87-8为钛、铁、不锈钢和铝为钛、铁、不锈钢和铝为钛、铁、不锈钢和铝为钛、铁、不锈钢和铝短时扩散连接后的断口形貌，短时扩散连接后的断口形貌，短时扩散连接后的断口形貌，短时扩散连接后的断口形貌，可以看出可以看出可以看出可以看出TiTi、FeFe和不锈钢与
43、和不锈钢与和不锈钢与和不锈钢与CuCu的情况类似，但的情况类似，但的情况类似，但的情况类似，但A1A1的断口的断口的断口的断口上未能观察到连接区，表明上未能观察到连接区，表明上未能观察到连接区，表明上未能观察到连接区，表明AlAl较难连接。较难连接。较难连接。较难连接。图图图图7 7一一一一8 8 几种材料扩散连接接头拉伸断口的几种材料扩散连接接头拉伸断口的几种材料扩散连接接头拉伸断口的几种材料扩散连接接头拉伸断口的微观形貌微观形貌微观形貌微观形貌(a)(a)钛钛钛钛 (T=830(T=830,t=4min,P=12MPa),t=4min,P=12MPa)；(b(b铁铁铁铁(T=830(T=8
44、30,t=4min,P=14MPa);,t=4min,P=14MPa);(c)SUS304(c)SUS304不锈钢钛不锈钢钛不锈钢钛不锈钢钛 (T=1060(T=1060,t=4min,t=4min,P=20MPa);P=20MPa);(d)(d)铝钛铝钛铝钛铝钛 (T=600(T=600,t=4min,P=20MPa),t=4min,P=20MPa)(2)(2)扩散、晶界迁移和孔洞消失扩散、晶界迁移和孔洞消失扩散、晶界迁移和孔洞消失扩散、晶界迁移和孔洞消失 与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用与第
45、一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，量显
46、著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散的很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散的很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散的很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散的作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动。作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动。作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动。作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动。关于孔洞消失的机制阐述如下。关于孔洞消失的机制阐述如下。关于孔洞消失的机制阐述如下。关于孔洞消失的机制阐述如下。借助扩散和物质传递使孔洞闭合的模型示于图
47、借助扩散和物质传递使孔洞闭合的模型示于图借助扩散和物质传递使孔洞闭合的模型示于图借助扩散和物质传递使孔洞闭合的模型示于图7 7一一一一9 9。从图可见，物质传递有多种途径，其中机制从图可见，物质传递有多种途径，其中机制从图可见，物质传递有多种途径，其中机制从图可见，物质传递有多种途径，其中机制(2)(2)为从表面为从表面为从表面为从表面源至颈部的表面扩散源至颈部的表面扩散源至颈部的表面扩散源至颈部的表面扩散;(3);(3)为从表面源至颈部的体积扩散；为从表面源至颈部的体积扩散；为从表面源至颈部的体积扩散；为从表面源至颈部的体积扩散；(4)(4)为从表面源蒸发并在颈部沉积为从表面源蒸发并在颈部沉
48、积为从表面源蒸发并在颈部沉积为从表面源蒸发并在颈部沉积;(5);(5)为从界面至颈部的为从界面至颈部的为从界面至颈部的为从界面至颈部的晶界扩散；晶界扩散；晶界扩散；晶界扩散；(6)(6)为从界面至颈部的体积扩散。机制为从界面至颈部的体积扩散。机制为从界面至颈部的体积扩散。机制为从界面至颈部的体积扩散。机制(2)(2)和和和和(4)(4)的驱动力是表面曲率的差异，物质从低曲率点向高曲的驱动力是表面曲率的差异，物质从低曲率点向高曲的驱动力是表面曲率的差异，物质从低曲率点向高曲的驱动力是表面曲率的差异，物质从低曲率点向高曲率区传输，这时，孔洞从椭圆状变为圆形。当孔洞的长短率区传输，这时，孔洞从椭圆状
49、变为圆形。当孔洞的长短率区传输，这时，孔洞从椭圆状变为圆形。当孔洞的长短率区传输，这时，孔洞从椭圆状变为圆形。当孔洞的长短轴之比等于轴之比等于轴之比等于轴之比等于1 1时，这些机制就不再起作用。时，这些机制就不再起作用。时，这些机制就不再起作用。时，这些机制就不再起作用。(1)(1)和性变形和性变形和性变形和性变形和强化蠕变使孔洞闭合。凸面的微观蠕变能加速孔洞的和强化蠕变使孔洞闭合。凸面的微观蠕变能加速孔洞的和强化蠕变使孔洞闭合。凸面的微观蠕变能加速孔洞的和强化蠕变使孔洞闭合。凸面的微观蠕变能加速孔洞的(7)(7)分别为塑闭合，这种闭合过程包括分别为塑闭合，这种闭合过程包括分别为塑闭合，这种闭
50、合过程包括分别为塑闭合，这种闭合过程包括:孔洞高度的变化孔洞高度的变化孔洞高度的变化孔洞高度的变化;孔洞的闭合，即凸度下降，多余的物质移向孔洞，从孔洞的闭合，即凸度下降，多余的物质移向孔洞，从孔洞的闭合，即凸度下降，多余的物质移向孔洞，从孔洞的闭合，即凸度下降，多余的物质移向孔洞，从而增大连接面积。而增大连接面积。而增大连接面积。而增大连接面积。图图图图79 79 扩散连接过程中几种物质传递机制的示意图扩散连接过程中几种物质传递机制的示意图扩散连接过程中几种物质传递机制的示意图扩散连接过程中几种物质传递机制的示意图 (a)(a)表面源；表面源；表面源；表面源；(b)(b)界面源；界面源；界面源