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中国高新技术企业文／徐建华１邵娟２霍文国３铝基复合材料的扩散焊接工艺研究及应用【摘要】本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，研究了直接扩散焊与采用中间层扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头强度的影响规律。
结果表明，在铝基复合材料液、固温度区间，存在“临界温度区域”，在此温度区域进行直接扩散焊接时，通过液相基体金属的浸润，使得在扩散接合面中增强相-增强相接触转化为增强相-基体-增强相的有机结合，获得高质量焊接接头；进一步研究发现，在扩散接合面上采用合适的基体中间层同样可以将增强相-增强相接触转化为增强相-基体-增强相的有机结合，同时增大“临界温度区域”范围，接头性能更加稳定，接头变形量进一步减小（<2%）。
【关键词】铝基复合材料直接扩散焊中间层扩散焊1序言铝基复合材料作为一种新兴材料，由于其具有高比强度、高比模量、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好等优异的综合性能而受到人们的广泛关注并将逐步取代部分传统的金属材料而广泛应用于航空、航天、汽车制造业等领域，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。
然而铝基复合材料的焊接性差，很难形成高强度的焊接接头，成为该种材料走向实用化的严重障碍。
本文以亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料为对象，通过系列试验研究了采用直接扩散焊与基体铝合金作为中间层的扩散焊两种工艺焊接铝基复合材料的特点、机理，分析了中间层对接头性能的影响，探索实现铝基复合材料优质连接的有效工艺。
2试验材料及方法2.1试验材料采用挤压铸造法制备亚微米级Al2O3p/6061Al铝基复合材料。
增强相Al2O3颗粒平均尺寸为0.4μm，体积比为30%。
该复合材料在扫描电镜下的显微组织见图1，在退火状态下拉伸强度为300MPa。
基体6061Al的化学成分如表1所示。
选取与基体相同成份的6061Al铝箔作为中间层，其厚度介于5-30μm之间。
图1Al2O3p/6061Al铝基复合材料显微组织表16061Al的化学成分（Wt%）2.2试验方法将材料加工5mm×10mm×30mm的尺寸进行对接平焊，扩散焊过程是在10-3Torr的真空室中进行，试件采用电阻法加热，通过热电偶测量温度并使其在焊接中保持恒定，焊接过程见图2。
超塑成形/扩散焊接组合工艺的技术概况与应用李 枫,陈明和,范 平,王荣华,朱丽瑛,周兆峰(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘 要:介绍了超塑材料的发展,概述了超塑成形、扩散焊接及其组合工艺的原理和特点,并指出了此种加工工艺的优缺点。
用超塑等温锻造、板材气胀成形和超塑挤压等超塑成形方法以及用超塑成形/扩散焊接组合工艺方法的国内外应用实例。
展望了超塑性的发展趋势,指出应开发新型的超塑性材料,探索已知材料的低温和高速超塑成形工艺,进一步拓展超塑性的应用领域。
关键词:超塑性;超塑性成形;扩散焊接;应用中图分类号:T G301 文献标志码:A 超塑成形(SPF)和超塑成形/扩散焊接组合工艺(SPF/DB)技术,在现代航空航天工业发展的推动下,经过近40年的开发研究和实验验证,已经进入实用阶段[1]。
特别值得注意的是,近十几年来金属超塑性已在工业生产领域获得了较为广泛的应用。
一些超塑性Ti合金、Al合金、Mg合金以及黑色金属等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[223]。
下面分别对超塑性材料发展; SPF和SPF/DB的技术特点;其应用现状及发展趋势四方面加以论述。
1 超塑性材料的发展超塑性材料是超塑成形和扩散焊接技术发展的基础。
到目前为止,已发现200多种金属和合金具有超塑性,不过可用于实际生产的只有少数材料,以钛合金、铝合金和镁合金3种材料为主。
正是由于超塑成形的生产优点明显,所以各国都极为重视超塑性材料的发展。
表1列出了目前已得到应用的常用铝合金和钛合金超塑性材料[425]。
钛合金是最早得到应用的超塑性材料,其技术相对成熟,也是目前应用最广泛的材料。
主要合金有Ti26Al24V、IM I550、IM I834、TiAl和GH4169等材料。
近年来,铝合金是继钛合金之后超塑研究的又一热点之一。
瞬时液相扩散焊接学科历史文化的当代价值摘要：科技是第一生产力，科技的进步与材料学科的发展息息相关。
材料领域中的先进连接技术在航空、航天、汽车制造、工业制造等领域有着举足轻重的地位。
任何工业设备的制造过程都不可能完全来源于铸造技术，焊接技术在对工件的装配过程中起着至关紧要的作用。
本文主要阐述了河南理工大学，金属物理冶金研究所，在焊接领域中的瞬时液相扩散(TLP)管道技术的历史文化背景和当代应用价值，以及TLP技术在的发展历史和当代发展趋势新。
关键词：科技创新；材料工程；瞬时液相扩散焊接1 引言近代以来，人类文明得到了巨大进步，这些大多要归功于于科学不断完善、工程技术的不断创新、进步。
随着社会的发展进步，我们的生活也发生了翻天覆地的变化。
各种各样的大型机械设备和应用环境的变化，对我们的材料的使用性能和服役条件提出了更高的要求。
以此同时，有机材料、无机材料、金属材料的发展，对科技创新的需求也是越来越高。
金属材料方向作为材料学中的一大重要分支，又可细分为四大学科，包括铸造学科、锻压学科、模具学科以及焊接学科。
本人的研究生课题是，先进连接技术TLP管道焊接[1]，是近些年来投入到生产应用中的先进技术。
对各种异种难焊材料，有着巨大的焊接技术优势，在实际生产应用中有着举足轻重的作用。
2 瞬时液相扩散焊接技术的历史文化早在上世纪70年代瞬时液相扩散焊已经成功应用于Ni基高温合金领域的连接。
随着近代工业的飞速发展，对新材料的需求越来越高，在现代材料结构中，不仅需要对大量同种材料进行焊接，有时也需要对异种金属材料进行焊接。
瞬时液相扩散焊是一种适用于难焊材料连接的焊接技术。
具有高效、节能、焊接质量好、自动化程度高、操作方便、焊接过程无弧光、无毒害、处于静态、焊机可移动等特点。
一些难熔材料以及异种材料在物理性能、化学性能、元素性质等方面有显著差异，采用常规焊接方式(如焊条电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊、气体保护焊、电渣焊等)相对比较困难.而且采用传统焊接母材局部发生融化，有较大的焊缝和热影响区，容易产生焊接变形和焊接残余应力，影响焊接品质[2]。
1.[36] Yajiang L上次学习时间：2014-08-01 17:12:03[36] Yajiang Lia, Peng Liu, Juan Wang, Haijun Ma. XRD and SEM analysis near the diffusion bonding interface of Mg/Al dissimilar materials. 2008, (82): 15~192.作为最有潜在应用价值的新材料上次学习时间：2014-08-01 17:11:33作为最有潜在应用价值的新材料，铝合金和镁合金广泛运用于汽车、电子和航空航天等领域。
因此，形成可靠、稳定的铝合金和镁合金复合构件成为制约其走向更大规模应用的最大障碍。
铝合金和镁合金的焊接问题也成为各国研究人员关注的重点。
3.扩散焊：扩散焊时接头组织与母上次学习时间：2014-08-01 17:07:03扩散焊：扩散焊时接头组织与母材相近且工件无变形，对于不互溶或产生金属间化合物的异种材料连接来说，扩散焊是一种可靠的连接方法。
4.脉冲焊（MPW）以及爆炸焊等上次学习时间：2014-08-01 17:04:17脉冲焊（MPW）以及爆炸焊等。
5.用于铝、镁异种金属的固相焊接上次学习时间：2014-08-01 17:04:09用于铝、镁异种金属的固相焊接方法基本包括搅拌摩擦焊（FSW）、真空扩散焊、电磁6.气体保护焊（TIG、MIG）上次学习时间：2014-08-01 17:01:23气体保护焊（TIG、MIG）：作为传统的焊接方法，具有成本低廉、使用方便等优点，[12]一直用于铝合金等轻金属的焊接。
研究显示，采用TIG焊接铝、镁异种金属时，焊缝微观组织树枝晶，两侧融合线区为高硬度的柱状晶,如图1所示。
接头断裂形貌为典型的脆性断裂，并存在有少量H 气孔。
接头成形较差。
7.铝和镁的表面很容易形成氧化膜上次学习时间：2014-08-01 16:55:52铝和镁的表面很容易形成氧化膜且难以去除，从而阻碍在焊[10]接过程中元素的扩散8.在word中插入引文的方法上次学习时间：2011-11-08 13:39:31您可以在您的论文中插入“数字编号”样式的参考文献，即[1]，[2]等；单击“插入引文”；在文献列表中选择多篇将要插入到 WORD 中的文献，单击“确定”；您所选择的参考文献即插入到所编辑的论文的光标处，同时，在论文的最后自动插入参考文献条目；9.导入题录的方法二上次学习时间：2011-11-08 13:38:51导入从 NoteExpress 中导出的题录信息10.导入题录的方法一上次学习时间：2011-11-08 13:38:17通过从数据库导出的引文格式文件导入题录11.文献题录排序的方法上次学习时间：2011-11-08 13:37:39单击题录列表的表头字段，如“状态”、“标题”、“作者”、“出版时间”、“来源”、“类型”、“上次学习时间”和“附件”，列表即可按照您单击的字段进行排序；单击两次则分别按照升序和降序进行排序；12.查看学习单元内的所有笔记上次学习时间：2011-11-08 13:37:02单击导航栏中该学习单元目录下的“笔记本”；13.记录笔记的方法上次学习时间：2011-11-08 13:36:16笔记分为知识点、注释、问题和读后感四类；笔记工具除了位于工具栏中之外，当用户单击“文本选择工具” ，在选择文字附近会自动浮现一条快捷工具条，可以更简单方便的进行笔记记录。
3. 扩散焊3.1扩散焊原理及设备1. 原理：扩散焊是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过待焊面产生的微量液相而扩大待焊面的物理接触，然后经较长时间的原子相互扩散来实现冶金结合的一种焊接方法。
在金属不熔化的情况下，两工件之间接触距离达到（1～5）×10-8 CM 以内时，金属原子间的引力才开始起作用。
一般金属通过精密加工后，其表面轮廓算术平均偏差为（0.8～1.6）×10-4 CM 。
在零压力作用下接触时，实际接触面只占全部表面积的百万分之一。
在施加正常扩散压力时，实际接触面仅占全部表面积的1%左右。
图1 金属真实表面示意图 金属真实表面的情况（见图1）。
扩散焊过程的三个阶段，（见图2）。
第一阶段变形和交界面的形成。
在温度和压力的作用下，微观凸起部位首先接触和变形，在变形中表面吸附层被挤开，氧化膜被挤碎，凸点产生塑性变形，开始形成金属键连接。
第二阶段晶界迁移和微孔的消除。
原子扩散和再结晶的作用，开始形成焊缝。
第三阶段体积扩散，微孔和界面消失。
原子扩散向纵深发展，在界面处达到冶金连接。
图2 扩散焊的三个阶段模型图影响扩散过程和程度的主要工艺因素1）温度：影响扩散焊进程的主要因素是原子的扩散，影响原子扩散的主要因素是浓度梯队和温度。
扩散焊温度一般高于1/2金属熔化温度。
0.6～0.8Tm（Tm母材熔点）。
2）压力：主要影响扩散焊第二阶段。
压力过低表面层塑性变形不足。
0.5～50Mpa。
3）时间：扩散焊需要较长的时间。
时间过短，会导致焊缝中残留有许多孔洞，影响接头性能。
2. 设备：真空扩散焊设备——由真空室、加热器、加压系统、真空系统、温度测控系统及电源等组成。
图3 真空扩散焊设备示意图超塑成型扩散焊设备——由压力机和专用加热炉组成。
图4 超塑成型扩散焊设备示意图热等静压扩散焊设备——设备较复杂。
图5 热等静压扩散焊设备示意图3.2 扩散焊应用及特点1.特点：1）接头质量好，焊后无需机加工。
扩散焊的原理及应用姓名：乐雄学号：153112113 专业：材料工程摘要：简介扩散焊的原理、分类及特点，从扩散焊加热温度、压力及保温时间等工艺参数和中间层材料选择以及焊后质量检测方面进行了综述，并探讨了扩散焊应用的发展趋势，认为新材料或难焊材料及其构件的扩散焊工艺、中间层的研制和开发、工艺参数的优化、工艺标准和焊后检测验收标准的建立及完善、扩散焊的数值模拟和仿真等方面研究会成为今后研究重点。
关键词：扩散焊；瞬时液相扩散焊；真空扩散焊The theory and application of diffusion bonding Abstract：The theory, classification and characteristics of diffusion bonding are introduced. The technology parameters, intermediate layer material selection and welding quality inspection are summarized. The development and improvement of new materials or hard materials, the optimization of process parameters, the establishment and improvement of the standard of welding, numerical simulation and Simulation of diffusion welding are discussed.Key words: diffusion bonding；transient liquid phase diffusion bonding；vacuum diffusion bonding扩散焊也称扩散连接，是指在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经过较长的时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法[1]。
扩散焊是异种金属、耐热合金、复合材料、陶瓷等的主要连接方法，有着广泛的应用前景。
扩散焊在导电装置和元件的加工制造、电真空器件制造、机械制造工业以及航空航天等方面都有着广泛的应用。
尤其在航空航天方面，航空工业是扩散焊最重要的应用领域。
据报道，[2]美国在近十年间，用扩散焊接和超塑性成形扩散焊接组合工艺制造了大量B-1轰炸机的性合金组件，包括重要的翼板、平衡器支座、舱壁、具梁等66种之多，同时还焊接了航天飞机主发动机推进器结构，它由25个扩散焊接零件组成。
用这种方法制造飞行器组件可有效地减轻结构重量、节约贵重材料，从而降低生产成本。
国外扩散焊技术相对成熟，而国内扩散焊接则起步不久。
因此扩散焊有着重要的研究意义，本文主要阐述扩散焊的相关原理及其优点，及介绍重要的扩散焊技术，从工艺参数等方面介绍国内外研究进展，并对今后发展做出了展望。
1.扩散焊的原理、分类及特点1.1. 扩散焊接头的原理要使金属在不熔化情况下形成良好的焊接接头，就必须使待焊面紧密接触以达到原子引力范围内形成金属键。
而材料表面不可能是完全平整和光洁，实际表面还存在氧化膜、污物和表面吸附层，都会影响接触面上金属原子形成金属键，而两母材表面晶体位相也不同，不同材料晶体结构也不同，这些都会影响材料的连接效果。
所以有必要对焊接接头进行加压和加热，使表面的氧化膜破裂，表面发生塑性变形和高温蠕变，从而加快两材料的扩散连接。
为了方便研究，通常将扩散焊分为以下四个阶段讨论。
第一阶段为初始物理接触阶段，表面不平整，只有部分接触点接触，如图1a所示。
第二阶段为塑性变形阶段，在外加压力的作用下，通过屈服和蠕变机理是使表面发生塑性变形，而且表面的接触面积逐渐增大，最终达到整个界面的可靠接触，界面未达到紧密接触区域形成界面空洞，如图1b所示。
第三阶段为元素扩散与反应阶段，接触面的原子间相互扩散，形成紧密结合，如图1c所示，由于变形引起晶格畸变、位错、空位等缺陷，使界面能量显著增加，原子处于高度激活状态，有利于扩散。
第四阶段为体扩散阶段，微孔逐渐消失，如图1d所示，组织成分逐渐均匀化，最后达到晶粒穿过晶界界面生长，原始界面消失。
图1. 扩散焊的四个阶段示意图当然这四个阶段也不是截然分开的，而是相互交叉进行，经过扩散过程形成可靠连接。
1.2.扩散焊的分类及特点按被焊材料的组合形式来分可分为无中间层扩散焊和加中间层扩散焊，按照焊接母材不同，也可分为同种材料扩散焊和异种材料焊接。
异种材料焊接在接头处会形成不同于机体的新相，新相的性能决定焊接接头的性能，因此研究元素在接头中的扩散规律并预测新相的生成极其重要。
Fick[4]、Bottzmann[3]和Matono[4]等对扩散系数D进行了大量研究。
Fick 提出第一定律，D 不随浓度的变化而变化，即：当扩散系数D 随着浓度变化而变化，即扩散体系为非稳态，Bottzmann 用分离变量法：在此基础上，Matano 用图解法提出了不同浓度下的扩散系数方程：以上式中：J 是扩散通量；C 是元素浓度；t 是保温时间；x 是元素扩散距离；D 是扩散系数。
张蕾[5]等研究氢对TC4钛合金扩散焊加工影响的机理得出氢元素主要通过加速原子扩散、增大再结晶驱动力、促进塑性变形以及蠕变这三方面来改善TC4钛合金扩散焊加工性。
按照焊接接头是否出现液相可分为固相扩散焊和液相扩散焊。
由于固相扩散焊面临着塑性变形的困难的问题，需要很高的连接温度和实施较大的压力，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。
而瞬时液相扩散焊则能够弥补其缺点。
英国Davids．Duvall [6]等人首次通过相图及金属学原理解释了瞬时液相扩散焊TLP( transient liquid phase diffusion bonding，TLP)。
瞬时液相扩散焊是将中间层放置在待连接材料连接表面之间，在加热过程中，由于达到中间层的熔点或者是由于中间层和母材相互扩散形成共晶反应产物而导致形成一种低熔点的液相合金，从而形成一层薄的液相中间层；液体填充了待连接材料表面之间的空间，并且有时还能溶解残留在表面的杂质；随着溶质原子向母材中继续扩散，发生等温凝固；等温凝固结束后，没有残留液相存在的痕迹，形成了和母材成分基本相似的连接接头[7]。
由于瞬时液相扩散焊与钎焊一样都有微量的液相作用。
但是与钎焊相比，钎焊侧重于对母材的润湿，TLP技术则侧重于降溶元素向母材的扩散，优势在于对母材表面氧化膜有一定的自清理能力，可形成无中间层残留、无界面，微观组织及力学性能与母材相似的接头，可获得重熔温度高于焊接温度的焊接接接头[8]。
由于真空技术的发展，真空技术与扩散焊接技术结合形成了真空扩散焊技术。
真空扩散焊是在真空、高温和施加一定压力的条件下，被焊材料表面原子经过较长时间相互扩散、相互渗透，最终实现材料永久连接的方法，与熔化焊相比，真空扩散焊具有焊接过程与空气隔绝，焊接变形小甚至无变形、节省材料、耐腐蚀性和母材的相当等优点[9]。
另外，由于材料超塑性的发现，人们又发明了一种利用材料的高延展性来加速界面接触过程，形成了超塑性成形扩散焊。
由于超塑性材料所具备的超细晶粒，大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔洞和界面消失的过程[1]。
超塑性扩散焊可以是两边母材具有超塑性，也可以是添加超塑性中间层材料实现扩散连接。
2. 扩散焊工艺对扩散焊的影响2.1.加热温度加热温度是扩散焊最重要的焊接参数，在一定的温度范围内，扩散速度随温度的增加而加快，接头强度也相对较高。
受焊接件和夹具高温强度、母材成分、表面状态、中间层材料及相变的影响，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[11]等采用钛为中间层，对Ti Al 合金与镍基高温合金( GH99) 进了扩散连接，研究了扩散连接接头的界面结构和连接温度对界面结构及连接性能的影响，并对连接界面反应层的形成机制进行探讨；结果表明GH99 /Ti/Ti Al 的界面结构为: GH99 /( Ni,Cr)ss/富Ti-( Ni,Cr)ss/ TiNi / Ti2Ni /α-Ti + Ti2Ni / Ti ( Al)ss/ Ti Al + Ti3Al / Ti Al; 随着连接温度的升高，各反应层厚度增加，接头的抗剪强度先增加后减小; 在连接温度1173 K，连接时间30 min，连接压力20 MPa 时，抗剪强度最高为260.7 MPa．Ohsasa [12]等人建立了Ni 合金的动力学模型，通过差分法进行扩散的计算，得到焊接温度与焊接时间对元素扩散起到的作用。
2.2.保温时间保温时间是指焊接件在焊接温度下的保持时间。
保温时间太短，扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度，在高温高压下保持时间太长，对扩散焊接头起不到进一步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。
保温时间与温度和压力是密切相关的，采用较高的温度和压力就可以缩短焊接时间。
从提高生产率的角度讲，保温时间越短越好。
林红香[13]等人Zr/Cu/Zr 瞬间液相扩散连接Ti(C,N)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，界面处元素Ti、Al、Zr、Cu 发生互扩散，形成以Ti(C,N)/Cu Zr2+Cu Zr+Zr O/Cu 为主要组织的过渡型界面，接头最高弯曲强度可达320MPa；最优工艺参数为950℃、3MPa下，保温时间15min~30min，此时界面组织均匀致密，可获得力学性能较高的焊接接头。
Nishimoto[14]等人采用MBF80非晶态中间层在1 250℃/30 min 和1275 ℃/25 min 两种工艺条件下对CMSX-2单晶镍基合金进行TLP 连接，焊后固溶时效处理。
试验发现，TLP 接头在650℃～900℃的高温抗拉强度稍大于CMSX-2 基体，且持久强度与母材相近。
李晓红[15]等人以本国第一代镍基单晶高温合金DD3为研究对象,采用DIF为中间层合金在1250C保温4,24,36h，得出1250℃/4h扩散焊接头在焊接中心线处断续分布有少量块状γ相和W，Mo，Cr复合碳硼化合物相外,其它部分已获得与母材组织、成分基本一致的y+Y’双相组织,γ沉淀相尺寸约为0.5~1.2um。
2.3.压力施加压力的主要作用是使结合面微观突起的部分产生塑性变形，从而达到紧密接触促进界面区的扩散，加速再结晶的过程。
较高的压力可产生较大的表层塑性变形，使表层再结晶温度降低，加速晶界迁移。
