扩散焊原理及扩散机制
出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第340页（4218字）
1．扩散焊原理
扩散焊是在一定的温度和压力下，经过一定的时间，工件接触界面原子间相互扩散而实现的可靠连接。扩散焊是压焊的一种，与常用压焊方法(冷压焊、摩擦焊、爆炸焊及超声波焊)相同的是在连接过程中要施加一定的压力。扩散焊与其他焊接方法加热温度、压力及过程持续时间等工艺条件的对比如表1－10－10所示。
表1－10－10 扩散焊与其他焊接方法的比较［1］
扩散焊过程可以大致分为三个阶段：
第一阶段为物理接触阶段。高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，通过屈服和蠕变机理使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。在这一阶段之末，界面之间还有空隙，但其接触部分则基本上已是晶粒间的连接。
第二阶段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。这一阶段，由于晶界处原子持续扩散而使许多空隙消失。同时，界面处的晶界迁移离开了接头的原始界面，达到了平衡状态，但仍有许多小空隙遗留在晶粒内。
第三阶段是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。在此阶段，遗留下的空隙完全消失了。这三个过程是相互交叉进行的。最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程而形成固态冶金结合，它可以生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠连接。
扩散焊的工艺参数主要有：表面状态、中间层的选择、加热速度、温度、压力、保温时间和气体介质等，其中最主要的参数为温度、压力、保温时间和真空度，这些因素是相互影响的。
2．扩散机制
扩散焊通过界面原子间的相互作用形成接头，原子间的相互扩散是实现连接的基础。对于具体材料和合金，要具体分析原子扩散的路径及材料界面元素间的相互物理化学作用。异种材料扩散焊可能生成金属间化合物，而非金属材料的扩散界面可能进行化学反应，界面生成物的形态及其生成规律，对材料扩散焊接头性能有很大的影响。
固态中的扩散有以下几种机制：空位机制、间隙机制、轮转机制、双原子机制和挤列机制。空位机制、轮转机制、双原子机制的扩散可以形成置换式固溶体，间隙机制可以形成间隙式固溶体，只有原子体积小的元素，如氢、硼、碳、氮等才有这种扩散形式。
(1)材料界面的吸附与活化在外界压力的作用下，被连接界面靠近到距离为2～4nm，形成物理吸附。经过仔细加工的表面，微观有一定的不平度，在外力作用下，被连接表面微观凸起部位形成微区塑性变形(如果是异种材料则较软的金属先变形)，被连接表面的局部区域达到物理吸附，这一阶段被称为物理接触形成阶段。
随着扩散焊时间延长，被连接表面微观凸起变形量增加，物理接触面积进一步增大，在接触界面的某些点形成活化中心，在这个区域可以进行局部化学反应。此时被连接表面局部区域形成原子间相互作用，当原子间距达到0．1～0．3nm时，则形成原子间相互作用的反应区域达到局部化学结合。对于晶体材料，位错在表面上的出口处及晶界可以作为反应源的发生地。在界面上完成由物理吸附到化学结合的过渡。在金属材料扩散焊时，形成金属键，而当金属与非金属连接时，此过程形成离子键与共价键。
随着时间的延长，局部的活化区域沿整个界面扩展，局部表面形成局部粘合与结合，最终导致整个结合面出现原子间的结合。仅结合面的粘合还不能称为固态连接过程的最终阶段，还必须向结合面两侧扩散或在结合区域内完成组织变化和物理化学反应。
连接材料界面结合区中再结晶形成共同的晶粒，接头区由于应变产生的内应力得到松弛，使结合金属的性能得到改善。异种金属扩散焊界面附近可以生成无限固溶体、有限固溶体、金属间化合物或共析组织的过渡区。当金属与非金属扩散焊时，可以在连接界面区形成尖晶石、硅酸盐、铝酸盐及其他热力学反应新相。如果结合材料在焊接区可能形成脆性层，必须用改变扩散焊参数的方法加以控制与限制。
(2)固体中的扩散：
①扩散的基本规律 扩散是指相互接触的物质，由于热运动而发生的相互渗透。扩散向着物质浓度减小的方向进行，使粒子在其占有的空间均匀分布，它可以是自身原子的扩散，也可以是外来物质形成的异质扩散。
扩散系数D是扩散的基本参数，它定义为单位时间内经过一定平面的平均粒子数。扩散系数对加热时晶体中的缺陷、应力及变形特别敏感。当晶体中的缺陷，特别是空穴增加时，使原子在固体中的扩散加速。扩散系数D与温度呈指数关系变化［1］：
D=D0exp(E／RT)
式中：D为扩散系数(cm2／s)；E为扩散过程的激活能(kJ／mo1)；R为气体常数；D0是指数前系数；T为绝对温度(K)。
由上式可以看出，扩散系数随着温度的提高，显着的增加。
原子一般从高浓度区向低浓度区扩散。对于两个理想接触面的柱体(半无限体)，原子的平均扩散距离有如下计算公式［1］：
x=(2Dt)0．5
式中：x为扩散原子的平均扩散距离；D为扩散系数；t为扩散时间。
由上式可以看出，扩散焊时，原子的扩散距离与时间的平方根成正比。在扩散焊时，可以根据不同的要求选择不同的扩散时间。为了焊接接头成分和性能的均匀化，要用较长的扩散时间，如果连接界面间生成脆性的金属间化合物，则要缩短扩散时间。
②Kerkendal效应 在异种金属或不同成分的合金进行扩散焊时，由于不同元素的扩散系数不一样，造成穿过界面的物质流不一样，使某物质向一个方向运动，最终会形成边界的移动。造成这种现象的原因是由于不同元素的扩散速度不一样引起的。在所有的情况下，若两种不同金属相互接触，则结合界面移向熔点低的金属一侧。当非均匀扩散时，边界也非均匀的运动，从而出现空洞。扩散焊时施加一定的压力，使所加的压强超过低熔点金属在扩散焊温度下的屈服强度，则有利于扩散空洞的消除。
③扩散与组织缺陷的关系 实际工程中应用的材料，都存在着大量的缺陷，很多材料甚至处于非平衡状态，组织缺陷对扩散的影响十分显着，实际上在许多情况下，组织缺陷决定了扩散的机制和速度。材料的晶粒越细，即材料一定体积中的边界长度越大，则沿晶界扩散的现象越明显。沿晶界的扩散与晶体的扩散不一样。英国物理学家费舍尔提出的沿晶界扩散模型认为［1］，扩散沿晶界进行的很快，沿边界进入的原子数量远超过从表面直接进入晶粒的原子。原子首先沿边界快速运动，而后再从边界进入晶粒内部。在晶界上的扩散路径与一般扩散不一样，晶界扩散原子的平均扩散距离与时间的四次方根成正比。
沿金属表面的扩散与该表面的结构有关。实际晶体表面是不均匀的，表面存在着不平和微观凸起，有时表面形成机械加工硬化，这使表面层位错密度很高，再加上异种金属连接时，不同种材料原子间的吸附与化学作用，使表面原子有很大的活性。对表面、边界和体积扩散试验研究结果表明，表面扩散的激活能在三种形式的扩散中是最小的，即E表面＜E边界＜E体积，在同样的温度下，扩散系数D表面＞D边界＞D体积，即在表面扩散要快得多。
④扩散焊时的化学反应 异种材料(特别是金属与非金属或非金属材料间连接时)，界面将进行化学反应。首先在局部形成反应源，而后向整个连接界面上扩展，当整个界面都形成反应时，能形成良好的扩散连接。产生局部化学反应的萌生源与工艺参数，如温度、压力和时间有密切关系。扩散焊时压力对化学反应源有决定性的影响，压力越大，反应源的扩展程度越大；温度和时间主要影响反应源的扩散程度，对反应数量的影响不大。固态物质之间的反应只能在界面上进行。向活性区输送原始反应物，其局部化学反应继续进行是反应区扩大的条件之一。
界面进行化学反应主要有化合反应和置换反应。化合反应的特性是形成单物质。反应物和反应产物的晶体结构比较简单，通常这些物质的物理和化学性能是已知的。如金属经过氧化层与陶瓷或玻璃的连接(形成各种尖晶石、硅酸盐及铝酸盐等氧化物)即属于这种类型，这类反应进行得很普遍。
置换反应是以活泼元素置换非活泼元素的情况，在Al－Mg合金与玻璃或陶瓷的连接中得到了典型应用。铝与氧化硅在界面上发生置换反应，二氧化硅中的硅被铝置换，还原为硅原子溶解于铝中。当达到饱和浓度后，由固溶体中析出含硅的新相。使用活泼金属Al、Ti、Zr等焊接SiC和Si3N4陶瓷时也有类似反应。
扩散焊时化合反应与置换反应的差别在于，化合反应是在人工生成的金属表面氧化物与玻璃或陶瓷中的氧化物之间进行的。化合反应由开始局部接触，而后逐渐扩展到整个表面，形成一定的化合物层，在这个过程中反应速度一直是增加的。由于反应物的溶解度较小，在界面上可能形成一个很宽的难熔化合物层。由于在非金属化合物中扩散过程进行得很慢，所以反应速度急剧下降，化合物的形成过程就此结束。此时继续增加扩散焊的时间，对接头的强度没有显着的影响。