长春工业大学：《焊接成型原理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第七章 扩散连接原理

第七章扩散连接原理 7.1)概述 7)固相扩散连接 73)超塑性成型扩散连接 74)瞬间液相扩散连接 3)扩散连接过程的数值模拟

概述 固相扩散连接 超塑性成型扩散连接 瞬间液相扩散连接 7.1 7.2 7.3 7.4 第七章 扩散连接原理 7.5 扩散连接过程的数值模拟

§7.1概述 扩散连接( Diffusion Bonding)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 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 领域得到了广泛应用

§7.1 概述 扩散连接(Diffusion Bonding)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 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 领域得到了广泛应用

7.1.1扩散连接的定义及其特点 扩散连接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 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 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: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

7.1.1 扩散连接的定义及其特点 扩散连接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 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 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: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

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 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 进扩散的材料,即中间扩散层。 有时,中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少 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,这就是瞬间液相扩散连 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 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 进扩散的材料，即中间扩散层。 有时，中间扩散层与母材通过固态扩散会形成少 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，这就是瞬间液相扩散连 接

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 1)连接温度低,一般为母材熔化温度的04~08倍左 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(如气孔、裂纹和脆化等)对接头性能的影响; 2)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; 3)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; 4)扩散连接可成功地连接用熔化焊和其它连接方法

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: l）连接温度低，一般为母材熔化温度的0.4～0.8倍左 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(如气孔、裂纹和脆化等)对接头性能的影响; 2）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; 3）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; 4）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、高熔点 金属、耐热合金和复合材料等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 属与陶瓷的连接; 5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时 进行 6)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 有损失

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;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 属与陶瓷的连接; 5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时 进行; 6)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 有损失

7)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 夹芯板等; 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,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

7)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 夹芯板等; 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，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

7.1.2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, 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 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(固相界面还是固液界而)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 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71

7.1.2 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， 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 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(固相界面还是固液界而)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 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7一1

扩散焊 加中间扩散层的扩散焊 不加中间扩散层的扩散焊 气体保护扩散焊 真空扩散焊 溶剂保护扩散焊 超塑性成形一扩歡焊瞬时液相扩散焊固态扩散焊烧结一扩教焊 图71扩散焊分类图 扩散连接是一种适合于同种或异种金属、合金(特 别是难熔和可熔焊性差的金属材料)和无机非金属材料 连接的技术。各种材料扩散连接接头组合可分为四种 类型,如图7-2

图7一1 扩散焊分类图 扩散连接是一种适合于同种或异种金属、合金(特 别是难熔和可熔焊性差的金属材料)和无机非金属材料 连接的技术。各种材料扩散连接接头组合可分为四种 类型，如图7-2

图72扩散焊接头四种组合类型 (a)同类材料;(b)异类材料;(c)同类材料加中间扩散层; (d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 ,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7-2(),(d)所示。这种方法称为加中间扩散 夹层的扩散连接

图7一2 扩散焊接头四种组合类型 (a) 同类材料；(b)异类材料；(c)同类材料加中间扩散层； (d)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 ，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