瞬時液相擴散焊

液相擴散焊方法也稱瞬時液相擴散焊（Transient Liquid Phase Welding），是擴散焊接的一種，通常採用比母材熔點低的材料作中間夾層，在加熱到連線溫度時，中間層熔化，在結合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經一定時間的保溫而使成分均勻化。

中文名稱	瞬時液相擴散焊
英文名稱	transient liquid phase diffusion bonding
定　　義	在被焊材料之間加一層有利於擴散的中間材料，該材料在焊接加熱時熔化形成少量的液相，填充縫隙，元素向母材擴散，形成冶金連線的擴散焊方法。
套用學科	材料科學技術（一級學科），材料科學技術基礎（二級學科），材料合成、製備與加工（三級學科），焊接與連線技術（四級學科）

基本介紹

• 中文名：瞬時液相擴散焊
• 外文名：Transient Liquid Phase Welding

散過程

瞬時液相擴散焊是擴散焊接方法中的一種，液相擴散連線方法自20世紀50年代以來，在彌散強化高溫合金、纖維增強複合材料、異種金屬材料以及新型材料的連線中得到了大量套用。該方法也稱瞬時液相擴散連線（Transient Liquid Phase，簡稱TLP），通常採用比母材熔點低的材料作中間夾層，在加熱到連線溫度時，中間層熔化，在結合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經一定時間的保溫而使成分均勻化，液相的生成 將中間擴散夾層材料夾在被連線表面之間，施加一定的壓力，或依靠工件自重使相互接觸。然後在無氧化或無污染的條件下加熱，當加熱到連線溫度TB時，形成共晶液相。n等溫凝固過程 液相形成並充滿整個焊縫縫隙後，應立即開始保溫，使液-固相之間進行充分的擴散，由於液相中使熔點降低的元素大量擴散至母材內，母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點逐漸升高而凝固，凝固界面從兩側向中間推進。隨著保溫時間的延長，接頭中的液相逐漸減少，最後形成接頭。n成分均勻化 等溫凝固形成的接頭，成分很不均勻。為了獲得成分和組織均勻的接頭，需要繼續保溫擴散，（如圖1下所示）。

擴散連線分類

圖1

工藝參數

擴散連線參數主要有溫度、壓力、時間、氣氛環境和試件的表面狀態，這些因素之間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數時應統籌考慮。此外，擴散連線時還應考慮中間層材料的選用。

連線溫度

連線溫度T越高，擴散係數愈大，金屬的塑性變形能力愈好，連線表面達到緊密接觸所需的壓力愈小。但是，加熱溫度受到再結晶、低熔共晶和金屬間化合物生成等因素的影響。因此，不同材料組合的連線溫度，應根據具體情況，通過實驗來選定。從大量實驗結果看，連線溫度大都在0.5～0.8Tm(母材熔化溫度)範圍內，最適合的溫度一般為T≈0.7Tm。對瞬時液相擴散連線溫度的選擇，常在可生成液相的最低溫度附近，溫度過高將引起母材的過量溶解。

保溫時間

擴散連線時間t（也稱保溫時間）主要決定原子擴散和界面反應的程度，同時也對所連線金屬的蠕變產生影響。連線時間不同，所形成的界面產物和界面結構不同。擴散連線時，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增長。實際擴散連線工藝中保溫時間從幾分鐘到幾小時，甚至達到幾十小時。但從提高生產率考慮，保溫時間越短越好。縮短保溫時間，必須相應提高溫度與壓力。 n接頭強度一般是隨時間的增加而上升，而後逐漸趨於穩定。接頭的塑性，延伸率和衝擊韌性與保溫擴散時間的關係也與此相似。

連線壓力

擴散連線時的壓力主要促使連線表面產生塑性變形及達到緊密接觸狀態，使界面區原子激活，加速擴散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴散孔洞的產生。壓力愈大，溫度愈高，緊密接觸的面積也愈多。但不管壓力多大，在擴散連線的初期不可能使連線表面達到100%的緊密接觸狀態，總有一小部分演變成界面孔洞。擴散連線規範中套用的壓力範圍很寬，最小只有0.04MPa(瞬時液相擴散連線)，最大可達350MPa（熱等靜壓擴散連線），而一般壓力約為10~30MPa。與連線溫度和時間的影響一樣，壓力也存在最佳值，在其他規範參數不變的條件下，最佳壓力時接頭可以獲得最佳強度。

環境氣氛

擴散連線一般在真空、不活性氣體（Ar、N2）或大氣氣氛環境下進行，一般來說，真空擴散連線的接頭強度高於在不活性氣體和空氣中連線的接頭強度。真空中的材料在溫度升高時，氣體會從零件和真空室內壁中析出，計算和實驗結果表明，真空室內的真空度在常用的規範範圍內（1.33~1.33×10-3Pa），就足以保證連線表面達到一定的清潔度，從而確保實現可靠連線。

中間層選擇

n兩種材料結晶化學性能差別較大，這兩種材料連線時，極易在接觸界面生成脆性金屬間化合物。兩種材料的熱膨脹係數差別大，在接頭區域極易產生很大的內應力。針對這些問題為了獲得高質量的接頭，則要選擇中間層，使中間層金屬與兩側材料都能較好的結合，生成固溶體，則實現良好的連線，對熱物理性能差別較大的材料，可以用軟的中間層或用幾個中間層過渡,緩和接頭的內應力，以保證獲得性能良好的接頭。

表面狀態

表面粗糙度的影響 幾乎所有的焊接件都需要由機械加工製成，不同的機械加工方法，獲得的粗糙等級不同。擴散連線的試件一般要求表面粗糙度應達到Ra>2.5mm以上。 n表面清理 待連線零件在擴散連線前的加工和存放過程中，被連線表面不可避免地形成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。在連線前需經過脫脂、去除氧化物及氣體處理等工藝過程。

原理示意圖

擴散焊設備通過感應線圈，感應器加熱，通入中頻，高頻感應電流。焊接時母材不熔化，中間層不熔化。

感應加熱擴散焊機

感應加熱擴散焊機示意圖

套用

近年來，新材料在生產中套用，經常遇到這些材料本身或與其他材料的連線問題。一些新材料如陶瓷、金屬間化合物、非晶態材料及單晶合金等等可焊性差，用傳統熔焊方法，很難實現可靠的連線。隨著技術的發展，一些特殊的高性能構件的製造，往往要求把性能差別較大的異種材料，如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃等連線在一起，這也是傳統熔焊方法難以實現的，不但要連線金屬，而且要連線非金屬，或金屬與非金屬。因此，連線所涉及的範圍遠遠超出傳統熔焊的概念。為了適應這種要求，近年來作為固相連線的方法之一擴散連線技術引起人們的重視，成為連線領域新的研究熱點，正在飛速發展。這種技術已廣泛用於航天、航空、儀表及電子等國防部門，並逐步擴展到機械、化工及汽車製造等領域。

相關領域專家

瞬時液相擴散焊作為一種新型焊接方法已經在耐熱鋼、耐熱合金的連線方向獲得較大進展，國內有較多學者對這種連線進行了大量的實踐套用。在本方向有獨特造詣的的專家有

（1）河南理工大學陳思傑教授

（2）西安理工大學井曉天教授

（3）四川化工職業技術學院王菲森

（4）山東電力高等專科學校王學剛

（5）山東電科院李辛庚

等。