1 扩散连接技术
压焊方法及设备第九章
9.2 扩散连接工艺
9.2.1 扩散连接的工艺特点 与其他焊接方法相比，扩散连接技术有以下几方面的优点 优点： 与其他焊接方法相比，扩散连接技术有以下几方面的优点： 1)接合区域无凝固 铸造)组织，不生成气孔、 接合区域无凝固( 1)接合区域无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等熔 焊时的缺陷。 焊时的缺陷。 2)同种材料接合时 可获得与母材性能相同的接头， 同种材料接合时， 2)同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接头，几乎不 存在残余应力。 存在残余应力。 3)对于塑性差或熔点高的同种材料 对于塑性差或熔点高的同种材料、 3)对于塑性差或熔点高的同种材料、互相不溶解或在熔焊时 会产生脆性金属间化合物的异种材料(包括金属与陶瓷), 会产生脆性金属间化合物的异种材料(包括金属与陶瓷), 扩散连接是可靠的连接方法之一。 扩散连接是可靠的连接方法之一。 4)精度高 变形小,精密接合。 精度高, 4)精度高,变形小,精密接合。 5)可以进行大面积板及圆柱的连接 可以进行大面积板及圆柱的连接。 5)可以进行大面积板及圆柱的连接。 6)采用中间层可减少残余应力 采用中间层可减少残余应力。 6)采用中间层可减少残余应力。
2）反应的热力学计算：在扩散连接条件下，局 反应的热力学计算：在扩散连接条件下， 部化学反应的进行可以用热力学来分析。 部化学反应的进行可以用热力学来分析。 3）反应产物：无论是化合反应还是置换反应， 反应产物：无论是化合反应还是置换反应， 界面大多生成无限固溶体 无限固溶体、 界面大多生成无限固溶体、有限固溶体和反应 对于异种金属来说， 层。对于异种金属来说，反应层一般为金属间 化合物；而对于陶瓷和金属来说， 化合物；而对于陶瓷和金属来说，反应产物比 较复杂，可生成各类化合物。 较复杂，可生成各类化合物。
超塑性成形与扩散连接技术
提高产品质量和可靠性 降低生产成本和能耗 促进新产品的开发和上市 增强企业竞争力和市场地位
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智能化：通过引入人工智能、机器学 习等技术，实现超塑性成形与扩散连 接技术的智能化控制，提高生产效率 和产品质量。
绿色化：在环保意识日益增强的背景 下，超塑性成形与扩散连接技术将向 更加环保、绿色的方向发展，减少对 环境的负面影响。
航空航天领域：超塑性成形与扩散连接技术将进一步提高航空航天器的性能和可靠性。
比较：超塑性成形对材料的要求更为严 格，需要材料具备较好的塑性变形能力， 而扩散连接对材料的要求相对较为宽松。
应用范围：超塑性成形适用于轻质、薄 壁、复杂结构件的制作，而扩散连接适 用于金属、陶瓷、玻璃等材料的连接。
优点：超塑性成形与扩散连接技术能够提高材料成形极限，减少成形缺陷，提高产品质量。
缺点：超塑性成形与扩散连接技术需要较高的温度和压力，对设备要求较高，同时需要严格控制工艺参数，否则 容易造成成形失败或产品质量问题。
材料的热膨胀系数、弹性模量、 热导率等物理性能也是扩散连 接的重要考虑因素。
扩散连接对材料的要求包括材 料的纯净度、晶粒度、表面光 洁度等。
材料的厚度、形状、尺寸等 也会影响扩散连接的效果。
材料的可加工性、可焊性、可 连接性等也是扩散连接需要考
虑的因素。
航空航天领域：连接不同材料，提 高结构强度和疲劳性能
比较：超塑性成形与扩散连接技术在不同应用场景下各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。
应用：超塑性成形与扩散连接技术在航空航天、汽车、精密机械等领域有广泛应用。
轻量化：超塑性成形与扩散连接技 术将向更轻、更薄的方向发展，以 满足现代工业对节能减排的需求。
关于扩散连接的文献综述
重庆理工大学本科生毕业设计（论文）文献综述论文题目：钛合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程姓名：学号：指导教师：完成日期：2015年1月20日瞬间液相扩散连接( TLP-DB) 方法以其独有的性能优势, 在先进材料连接领域得到广泛的重视和应用。
综述了瞬间液相扩散焊中接触熔化、液相均匀化、等温凝固以及固相成分均匀化阶段的理论模型及发展状况,并对现有模型进行了分析和讨论。
随着材料科学的发展，新材料不断涌现。
在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。
焊接异种金属的方法有很多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊、钎焊及瞬间液相扩散连接等。
钛合金与不锈钢的复合构件，能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补，在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业，具有非常广阔的应用前景。
钛合金与不锈钢焊接时，由于两者的物理化学性能相差较大，且容易形成硬而脆的金属间化合物，使得接头性能难以提高。
瞬间液相扩散连接作为先进的焊接技术，特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。
在瞬间液相扩散连接的过程中加入超声波振动，对焊接件施加纵向超声波，能够提高焊接的质量，缩短焊接的时间，提高焊接的效率。
各种新型材料, 如金属间化合物具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点使其成为极具潜力的高温结构材料, 其中钛合金是潜在的航空航天材料,但是, 金属间化合物的共同缺点: 室温塑性低和高温强度差制约了它们在生产实践中的应用; 现代复合材料, 具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、尺寸稳定、耐磨、抗震等优良性能, 其在航空、航天、军工等高技术领域具有极其广阔的应用前景, 但由于复合材料中基体与增强相之间物理、化学性能相差很大, 导致其焊接性很差, 很难获得理想的焊接接头; 陶瓷材料的塑性差, 冷加工困难, 难以制成大型或形状复杂的构件等, 因而这些材料都会不同程度受到实用化问题的挑战。
固相扩散连接的基本原理
固相扩散连接的基本原理
固相扩散连接是一种加热组件与基板之间直接焊接的技术，在此过程中，焊接材料通过固相扩散实现连接。
固相扩散连接的基本原理可以简单地概括为以下几点：
1. 固态扩散：所谓固态扩散，指的是在高温下，两种物质之间的原子能够自发地在固体中扩散，形成一个均匀的合金结构。
这种扩散是基于固体的原子运动和相互作用的，因此需要较高温度才能实现。
2. 制备焊料：在固相扩散连接中，需要使用一种包含了多种化学元素的焊料。
这种焊料在加热过程中会熔化，并与接合面上的金属发生反应，形成合金结构。
因此，焊料的选取和制备都是固相扩散连接过程中的关键步骤。
3. 加热焊接：在焊接过程中，需要将组件和基板先加热到足够高的温度，以使焊料能够熔化并扩散。
加热过程需要掌握恰当的时间和温度，以保证焊接质量。
4. 固相反应：在加热过程中，焊料中的化学元素会与基板上的金属发生固相反应，形成一个新的固态合金结构。
这个合金结构能够提供可靠的连接和导电性。
总的来说，固相扩散连接的基本原理是在高温下，利用焊料内的化学元素与基板金属发生固相反应，形成一个新的均匀的合金结构。
这种技术具有焊接强度高、稳定性好等优点，在电子、机械、光学等领域得到了广泛应用。
扩散连接原理.
5.中间层材料的选择
• 中间层材料是熔点低（但不低于扩散焊接温度），塑 性较好的金属，如铜、镍、铝、银等，或者与母材成 分接近的含有少量易扩散的低熔点元素的合金。一般 厚度为几十微米，以箔片地形式夹在待焊表面或采用 电镀、真空蒸镀、等离子喷涂的方式直接涂敷在待焊 件的表面，镀层厚度可以只有几微米。
。在该保温时间内必须保证扩散过程全部完成，
达到所需的结合强度。
① 时间太短：扩散焊接头达不到稳定的与母材相等
的强度。
② 时间过长：对扩散接头起不到进一步提高的作用
，反而会使母材的晶粒长大。
在一定的温度和压力下，初始阶段接头强度随时间 延长增加，但到达一定值后，不再随时间变化。
保温时间与温度、压 力是密切相关的，温 度较高或压力较大时 ，时间可以缩短。 在保证强度的条件下 ，保温时间越短越好 。
3.可焊接其他焊接方法难以焊接的焊件和材料，如
弥散强化合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合
材料等，特别适合于不同种类的金属、非金属及异
种材料的连接。
⒋作为一种高精密的连接方法，焊后焊件不变形，
可以实现机械加工后的精密装配连接。
缺点：
⒈焊件待焊表面的制备和装配要求较高。 ⒉焊接过程中焊接时间长，生产效率低。在某些情 况下还会产生一些晶粒过渡长大等现象。 ⒊无法进行连续式批量生产。 ⒋设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设 备的限制。
到利用超塑性材料的高延展性来加速界面的紧密
接触过程，由此发展了超塑性成形扩散焊方法。
原理：从连接初期的变形阶段，因为超塑性材料具
有低流变应力的特征，所以塑性变形能迅速在连 接界面附近发生，甚至有助于破坏材料表面的氧 化膜，因而大大加速了紧密接触过程，实际上， 真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性。 超塑性材料所具有的超细晶粒，大大增加了界面 区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔 洞与界面消失的过程。
扩散连接原理
图7一6 扩散连接初期表面粗 糙度的下降
图7-7 钢扩散连接接头拉伸断口 的徽观形貌
(T=800℃，t =4min，P=16MPa)
图7一7为Cu短时扩散连 接接多拉伸断口形貌，图中 黑 色区域为未实现连接的区域 ，白色带状区域为连接好的 区域拉伸时形成的韧窝。材 料不同时，上述特征也会发 生变化。图7-8为钛、铁、不 锈钢和铝短时扩散连接后的 断口形貌，可以看出Ti、Fe 和不锈钢与Cu的情况类似， 但A1的断口上未能观察到连 接区，表明Al较难连接。
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 的方法，如图7一2(c)，(d)所示。这种方法称为加中间扩散 夹层的扩散连接。
7.1 .3 扩散连接的研究与应用
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
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(如陶瓷、 复合材料、金属间化合物等)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。
由于扩散连接所具的上述优点，因此，在发展初期 就受到国内外科学家们的高度重视。在20世纪20一30 年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。50年代研究成功的瞬间液相扩散连接 获得美国专利70年代又开发了超塑性成形一扩散连接。
(2)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
超塑性成形与扩散连接技术PPT课件
图2所示为F-15型飞机的原装配式 龙骨结构件，上有75个零件，1420 个铆钉，需十几套模具、2套装配 夹具。后改用SPF／DB结构件，只 需4个零件、71个连接件，2套模具， 无需夹具。整个结构质量减轻25％， 总成本降低77％，其中工具成本降 低16％。
图3所示力F-15型飞机机身背部2块大 型壁板，长3048mm，宽1143mm。图 3(a)为原结构，是由蒙皮、隔框、桁 条组成的典型结构；现改用sPF／DB结 构，只需4块sPF／DB壁板，减少了9个 隔框、10根桁条、150个零件和5000个 铆钉，总质量减轻38．4％，总成本降 低53．4％。图4、图5为SPF／DB技术 在其他飞行器上的典型应用[嚣灌一 503。
①可以使以往由许多零件经机械连接或焊接组装在一起的 大构件成形为大型整体结构件，极大地减少了零件和工装数 量，缩短了制造周期，降低了制造成本； ②可以为设计人员提供更大的自由度，设计出更合理 的结构，进一步提高结构承载效率，减轻结构件质量； ③采用这种技术制造的结构件整体性好，材料在扩散 连接后的界面完全消失，使整个结构成为一个整体， 极大地提高了结构的抗疲劳和抗腐蚀特性； ④材料在超塑成形过程中可承受很大的变形而不破裂，所以 可成形很复杂的结构件，这是用常规的冷成形方法根本做不 到或需多次成形方能实现的。
· 超塑性板材气胀成形、等温锻造、超塑挤压
及差温拉伸等。超塑成形技术(SPF)的应用范围已经 发展到锌铝合金、铝合金、钛合金、铜合金、镁合 金、镍基合金以及黑色金属材料，现又扩展到陶瓷 材料、复合材料、金属间化合物等近几十年来金属 超塑性已在工业生产领域中获得了较为广泛的应用。
· 超塑性材料正以其优异的变形性能和材质均匀等特 点在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、 仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到 了不可替代 的作用。
扩散焊的原理及应用
扩散焊的原理及应用1. 引言扩散焊，或称为扩散连接，是一种常用的焊接方法，用于连接金属材料，具有较高的强度和可靠性。
本文将介绍扩散焊的原理和应用。
2. 扩散焊的原理扩散焊的原理是通过在接触表面上形成固态相互扩散，实现金属连接。
具体来说，扩散焊过程中，两个金属表面中的原子将通过热激活的扩散作用，从一个金属晶胞便迁移到另一个金属晶胞中，形成一个焊缝。
这种焊缝是在原子层级上的扩散连接，因此具有较高的强度和可靠性。
3. 扩散焊的应用扩散焊具有广泛的应用领域，下面列举了其中几个常见的应用：3.1. 电子设备制造在电子设备制造过程中，扩散焊被广泛应用于连接电子元器件，如电子芯片、电阻和电容等。
由于扩散焊的连接强度高，并且不需要额外的焊接材料，因此适用于高要求的电子设备的制造。
3.2. 汽车制造在汽车制造中，扩散焊被用于连接车辆的金属部件，如车身和发动机零件。
扩散焊可以提供持久且可靠的连接，以应对汽车运行过程中的振动和温度变化。
3.3. 航空航天工业在航空航天工业中，扩散焊被广泛应用于制造航空航天器的结构和部件。
扩散焊具有优异的力学性能和热力学稳定性，能够满足航空航天器对于强度和可靠性的严格要求。
3.4. 金属加工在金属加工领域，扩散焊被用于连接和修复金属材料。
扩散焊可以在高温下进行，使得金属连接达到更高的强度和可靠性，从而满足不同应用的需求。
3.5. 光学仪器扩散焊也被应用于光学仪器的制造，如望远镜、激光器等。
扩散焊可以提供无缝连接的光学组件，确保光线传输的准确性和稳定性。
4. 总结扩散焊是一种常用的金属连接方法，通过原子级的扩散作用实现金属材料的连接。
扩散焊具有较高的强度和可靠性，广泛应用于电子设备制造、汽车制造、航空航天工业、金属加工和光学仪器等领域。
扩散焊的应用为不同行业提供了高强度和可靠性的金属连接解决方案。
以上是对扩散焊的原理和应用的简要介绍，希望对您有所帮助。
参考文献: - [1] Smith, William F., and Javad Hashemi.。
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B.接触表面的激活阶段 物理接触面积逐渐扩大，在接触界 面的某些点处形成活化中心，在这个 区域可以进行局部化学反应。接触界 面原子间的相互扩散，形成牢固的结 合层。 C.形成可靠接头阶段 体反应。在接触部分形成的结合层， 逐渐向体积方向发展，形成可靠的连 接接头。
1.1.2 液相扩散连接基本原理
液相扩散连接方法自20世纪50年 代以来，在弥散强化高温合金、纤维 增强复合材料、异种金属材料以及新 型材料的连接中得到了大量应用。该 方法也称瞬时液相扩散连接 （transient liquit phase）。
液相扩散连接大致可分为以下3个阶段： （1）液相的生成 （2）等温凝固过程 （3）成分均匀化
1.4、常用材料的扩散连接 钛合金扩散连接时，Ti表面的氧化膜在 高温下可以溶解在母材中，在5MPa的气压 下，可以溶解TiO2达30％，故氧化膜不妨 碍扩散连接的进行。在相同成分的钛及其 合金扩散连接的接头组织中没有原始界面 的痕迹。 钛合金应用最普遍的连接方法是超塑成 形扩散连接（SPF/DB）。钛合金原始晶粒 度对扩散连接质量也有影响。
镍基高温合金的热强性好、变形 阻力大，扩散连接时要实现可靠的物 理接触，必须提高连接温度或增大连 接压力（Ni 镍基高温合金表面含有Ti和Al的氧化 膜，而且Ni在高温下也容易生成NiO， 这些氧化膜性能都比较稳定，增加了 扩散连接的难度。
铜与钢的扩散连接 飞机发动机的精密摩 擦副、止动盘等构件要求将锡青铜与钢连 在一起，该类材料采用熔焊容易产生气孔， 采用钎焊方法会降低接头的抗腐蚀性能， 因此，常常采用扩散连接。 Al2O3 陶瓷与Al的扩散连接 在电子行业 中，需要将电子元器件的Al2O3 陶瓷基板 与Al散热器连在一起，由于Al2O3 陶瓷和 Al的熔点相差太大，因此采用共晶烧结Cu 工艺将Al2O3 陶瓷表面预金属化，然后进 行扩散连接。
1 扩散连接技术
扩散连接是在一定的温度和压力下， 经过一定时间，连接界面原子间相互 扩散，实现的可靠连接。 异种金属材料、陶瓷、金属间化合 物、非晶态及单晶合金 航空、航天、仪表及电子、机械、 化工及汽车制造
1.1 扩散连接的原理
1.1.1固相扩散连接的原理 扩散连接过程三阶段： A.物理接触阶段 高温下微观不平的表面，在外加压 力的作用下，总有一些点首先达到塑 性变形，在持续压力的作用下，接触 面积逐渐扩大，最终达到整个面的可 靠接触。
1.2扩散连接的特点
1）适合于耐热材料、陶瓷、磁性材料 及活性金属的连接。 2）可进行内部及多点 、大面积构件的 连接，以及电弧可达性不好，或用熔 焊的方法根本不能实现的连接。 3）高精密的连接，用这种方法连接后 工件不变形，可实现机械加工后的精 密装配连接。
1.1.3扩散连接的设备
（1）真空室 （2）扩散泵和机械泵组成的真空系统 （3）加热系统 （4）加压系统 （5）测量与控制系统 （6）冷却系统
C/C复合材料一般采用加中间层的办法 进行扩散连接，中间层材料可以采用 石墨、B、Ti或TiSi2等。不管哪种方 法，都是通过中间层与C的反应，形成 化合物或晶体而达到连接的目的。