钛合金与其它金属材料扩散连接研究现状与发展

仇 朋，王 娟，高 慧

（莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司，山东 济南 271104）

扩散连接属于金属加工技术之一，通过原子之间扩散，形成稳固可靠金属连接，制造出满足生产生活需要的多种金属材料，全面推动经济发展与社会进步。近些年钛合金应用越来越广泛，加深对其他金属与钛合金扩散连接研究，对于推动钛合金相关金属材料加工技术革新具有重要意义。

1 扩散连接技术分析

1.1 扩散连接技术原理

扩散连接属于焊接技术之一，主要指在保护气氛下或者压力、高温、真空作用下，相互接触的材料表面因为接触发生局部或者全部塑性变形，再经过一段时间后原子（结合层）相互扩散，最终形成十分稳固材料连接的过程。同其他焊接方式相比，扩散连接技术所发生扩散与连接并非是宏观意义上塑性变形或者熔化，而是通过固相原子扩散达到稳固连接目的，可有效避免其他焊接方式由于金属等材料出现熔化，影响钛合金质量等缺陷。且，扩散连接技术可以实现度不同特殊结构与不同材料的可靠连接。

一般将扩散连接技术过程分为物理接触、界面推移及扩散、孔洞与界面消失三个主要环节。物理接触环节，为扩散连接过程开始阶段，此环节表面（初步处理）依旧存在凹凸不平情况，材料与材料接触以点接触为主，在压力、高温等作用条件下接触点先发生塑性形变，随着相应条件持续作用，材料与材料接触面逐渐扩大，接触越来越密切。界面推移及扩散为扩散连接中间环节，该阶段材料与材料接触面原子开始快速扩散与迁移，接触面连接最初依靠金属键，原子扩散深度不断加深，逐渐转变为冶金连接。孔洞与界面消失，为扩散连接最后一个阶段，此阶段材料与材料接触面扩散作用已经存在，扩散形式以体积扩散为主，接触面组织逐渐均匀，原始界面开始逐渐消失，最终形成稳固连接，此过程往往需要数十分钟到数十小时不等[1]。

1.2 技术特点

扩散连接技术在其他金属与钛合金连接加工中应用十分广泛，这与技术本身特点有莫大关系。一般扩散连接技术具备如下特点。

（1）连接精密性高。采用扩散技术进行其他金属与钛合金加工中对装配条件要求很高，由于这种装配条件严苛，保证其他金属与钛合金连接精密性，扩散连接后相应构件残余应力小，很难发生变形。

（2）连接技术实用性高。与其他连接方式相比，在钛合金加工中应用此技术，适宜大面积构件、多点构件等多种类型构件连接，有效拓展技术使用范围。

（3）可用范围广泛。除了钛合金与其他金属连接上可以使用此种技术外，扩散连接技术也可应用到非金属与金属连接中，其可用范围广泛为其应用提供必要保障。

2 其它金属与钛合金材料扩散连接技术类别

2.1 TLP 扩散连接方式

TLP 扩散连接主要指瞬间液相扩散，利用熔化温度较低且化学成分与钛合金材料基本相近的中间层合金，在一定扩散连接温度下形成中间层，推动中间层发生熔化，并在连接面形成相应的液态薄膜。液态薄膜形成之后保持作用温度不变，促进基体金属与中间层合金之间快速凝固，确保接头组织均匀，最终形成稳固连接[2]。

2.2 DB 扩散连接方式

DB 扩散连接即常规扩散连接工艺，主要指通过加压、加热使材料发生扩散，最终达到结合目的，此种方式下施加温度要比钛合金与其他金属熔点低，最大限度确保材料与材料连接扩散质量。根据其他金属与钛合金材料是否发生脆性相分为加中间层（有脆性）与不加中间层（无脆性）两种形式，其中加中间层可以通过中间层添加防止脆性相形成，确保材料本身不与中间层和原接触面发生脆性相，确保中间层两侧金属材料可以较好进行扩散连接，此种方式适合于其他金属与钛合金金属直接扩散连接会产生脆性金属间化合物的情况。相反，如果其他金属材料与钛合金材料扩散连接中不会发生脆性相，则无需增加中间层。

2.3 LD 扩散连接方式

LD 扩散连接即液相界面扩散连接方式，该种工艺扩散作用条件需要将温度控制在接触金属材料与钛合金材料熔点以下。施加压力也比较小，只要确保材料可以接触便可，一般接触面上常常镀镍、镀铜或者增加0.005mm～0.03mm 铜或镍箔过渡层。加热温度达到900℃以后钛合金发生反应，形成熔融的共晶体，并将接头间隙填满，保持900℃～950℃持续作用1.5 小时左右，确保材料扩散连接稳固。

2.4 SPF/DB 扩散连接方式

SPF 扩散连接即超塑成扩散连接技术，主要通过超塑性流动实现扩散连接，属于同类材料扩散连接常用的方式之一，一般其他金属与钛合金扩散连接中应用比较少。采用该方式进行扩散连接可以获得较好焊接质量，因此将其与传统扩散连接方式相结合，形成新的扩散连接工艺，确保连接质量同时，降低扩散连接成本。形成新的SPF/DB 超塑成扩散连接技术为钛合金扩散连接常用的方式之一。改进后超塑性扩散连接只需加热一次，先进性扩散后进行塑形。

3 钛合金材料扩散连接技术现状分析

当前钛合金加工技术包括切削、铣削、磨削、锻造等，但这些钛合金加工方式体现出加工成本高、加工效率低等不足，限制了钛合金加工发展，钛合金依旧属于相对难于加工材料之一。导致钛合金加工难度大原因主要如下。

（1）化学性质过于活泼，机械加工时容易与加工刀具发生氧化反应，进而出现加工硬化等质量问题。

（2）传热系数比较小，加工中难免会产生一定高温度，由于钛合金传热系数小的问题，极易导致钛合金加热温度过高。

（3）弹性模量小，采用机械加工时不够稳定，易出现刀具磨损等问题。

（4）强度较高，钛合金强度高加工室产生热量大，易导致加工刀具等出现严重损伤。尽管钛合金加工难度大，但其用途广泛，在航天航空等特殊领域十分重要，因此研究其锻造加工工艺，十分重要。

钛合金加工过程中运用扩散连接技术，可以有效降低钛合金加工难度，有很高的批量生产应用价值，因此近年来对钛合金扩散连接技术研究比较深入。逐渐形成了TLP、DB、LD、SPF/DB等多种扩散连接加工工艺，为钛合金高质量加工提供技术保障。

4 其它金属与钛合金材料扩散连接技术应用及发展

4.1 不锈钢与钛合金扩散连接应用研究

利用扩散连接工艺可充分保留钛合金与不锈钢的优点，提升整体材料质量，满足产品需求，有十分广阔的市场前景。不同钛合金与不锈钢可以选择不同扩散连接方式，全面确保钛合金材料质量，根据钛合金种类不同具体扩散连接工艺使用。

（1）0Crl8Ni9Ti 不锈钢与TAl7 钛合金选择相变超塑性扩散连接法，控制工艺上限温度参数890℃，工艺下限温度参数800℃，循环10 次，加热速度（循环）需要控制30℃／s，扩散连接压力控制在5MPa，时间控制为160s，接头强度便可达到307MPa。

（2）00Crl8Nil0 不锈钢与TC4 钛合金采用直接扩散法，控制扩散连接温度为880℃，扩散连接压力控制在10MPa，时间控制为0.5h，接头强度可达74MPa，界面的变形率依旧在1.00%以下。

（3）00Crl8Ni10不锈钢与TC4钛合金，中间层为Pt—Ni合金，进行扩散连接实验，可以获得强度为146MPa 连接接头，在直接法基础上提升扩散连接强度，扩散温度控制在850℃，扩散连接压力控制在10MPa，时间控制为10～15min，中间层厚度控制在30μm[3]。

4.2 扩散连接技术（钛合金）研究进展——以TC4 钛合金为例

TC4 钛合金属于众多钛合金类型之一，此类钛合金具很强综合性，无论是塑性、耐高温性、强度、焊接性、生物相容性、抗腐蚀性、韧性都比较好，属于钛合金行业中应用最为广泛合金类型。因此近些年对此类型钛合金扩散技术研究较多，基本涵盖此类钛合金扩散连接压力、表面（接头）状态、保温时间、保护气体、连接温度、中间层选择等众多领域。首先，对TC4 钛合金疲劳断裂特性（扩散连接后）研究，通过疲劳断裂试件的具体断口表现分析穿晶断裂，对比实验表明当扩散连接压力与温度合适时，钛合金界面（连接处）的金相组织会变成针状魏氏体，晶粒的尺寸也会变大，增强阻止疲劳裂纹扩展缺陷的进一步扩大，提升钛合金抗裂能力。研究者实验中所使用TC4 钛合金板材，连接压力参数为2.94MPa，温度控制在960℃，保温时间控制在2小时。其次，TC4 钛合金SPF／DB 工艺研究。通过研究得出相应最为优化扩散工艺控制参数，920℃连接温度，3.0MPa 加载压力，1.5h 保温时间。近年来此类钛合金扩散连接工艺研究越来越多，研究越来越深入。

5 结束语

综上所述，钛合金与其它金属材料扩散连接可以有效解决钛合金加工困难问题，对于推动钛合金大批量加工发展具有重要意义。当前钛合金扩散连接工艺多用，涵盖TLP、DB、LD、SPF/DB 等多种扩散连接加工工艺，对钛合金扩散加工工艺也研究越来越深入细致。