放电等离子体烧结技术在材料连接领域的应用现状

2023-01-08林盼盼林金城于迪林铁松何鹏

焊接学报 2022年11期

林盼盼，林金城，于迪，林铁松，何鹏

(哈尔滨工业大学，先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001)

0 序言

“碳达峰”和“碳中和”目标要求中国制造业实现绿色低碳发展.作为现代制造技术的关键环节，焊接技术的创新发展对于制造业的转型升级具有重要作用，而开发高效、节能的新型连接方法则是材料连接研究领域的不懈追求.

放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)又称等离子体活化烧结(PAS)或脉冲电流烧结(PECS)，是一种高效、低成本和低能耗的粉末冶金技术[1-3].近三十年来，该技术在高温合金、陶瓷、硬质合金、高熵合金和难熔金属等材料中获得广泛应用[4].作为一种多能场辅助烧结技术，SPS 在对粉体加压的同时，对样品施加可控的直流脉冲电流引发局部焦耳热、等离子体活化等独特效应，从而实现材料的快速、低温和高效烧结[1-4].

在微观上，材料烧结和连接的本质是一致的.二者均是通过消除材料间的“固-气”界面，实现“固-固”界面替代并形成冶金结合的过程.Dong 等人[5]从材料连接角度分析了SPS 的微观机理，认为烧结过程涵括了电阻焊、微弧焊、扩散焊等基本连接原理.因此，将SPS 技术应用于材料连接中，在理论上是可行的.

近年来，SPS 技术被成功应用于不同材料的连接中并展现出令人满意的效果.相比于传统扩散焊工艺，SPS 扩散焊接往往具有连接温度低、焊接时间短、界面传质、弥合快、焊接精度高等突出优势[6-8].这不仅带来了可观的“碳收益”，更为中国关键领域核心部件的制造提供了新思路，有望推动中国实现从“制造大国”到“制造强国”的发展.

目前，SPS 技术在材料连接领域中的应用方兴未艾，但国内外研究人员往往聚焦于SiC、TiAl 合金等特定材料体系的连接工艺[7,9,10]，缺乏对SPS 连接的综述性梳理.为此，文中系统总结近年来SPS在材料连接领域的应用现状，分析了当前不足和未来研究方向，为实现焊接技术的创新发展提供参考.

1 SPS 连接技术概述

1.1 SPS 连接基本形式

SPS 连接设备一般采用由脉冲直流电源、加压系统、气氛控制系统、冷却系统以及其它辅助系统组成，其中脉冲直流电源是设备的核心器件[1].目前，不同厂家的电源标准差别较大，但电压一般为0～10 V，最大电流超过10 000 A，而先进电源往往具备脉冲比和频率可调可控的特点.

根据设备特点可知，SPS 连接是一种大电流小电压的连接方法.如图1 所示，连接过程中对样品施加轴向压力和可控脉冲电流，通过脉冲电流产生的焦耳热加热样品；被连接表面在压力和高温作用下相互靠近且局部塑性变形，界面元素相互扩散使得界面发生再结晶或(和)产生扩散层，最终形成可靠的冶金连接.因此，SPS 连接直接采用电流焦耳热作为焊接热源，无须外部加热装置.“大电流小电压”和“无外部热源”的特点是其与阳极键合等传统电辅助连接技术的最大不同.

图1 SPS 连接示意图Fig. 1 Schematic of SPS joining

根据连接界面结构的不同，SPS 连接可分为：①直接连接，连接过程不添加任何中间层材料，常用于同种材料、性质相似的异种材料的连接，可避免外加材料带来的复杂界面反应、界面腐蚀等不利影响[11-12]；②间接连接，采用粉体或者箔片作为中间层材料进行连接，一般适用于热膨胀失配材料、难焊材料的连接，可有效缓解接头应力、促进界面扩散而获得可靠接头[13-14].相比于直接连接，间接连接对于接头形状、表面平整度的要求较低，是目前采用较多的连接方式.

根据加热模式的不同，SPS 连接可分为：①温度控制模式，即通过热电偶或者红外测温仪的温度反馈调节脉冲电流大小，按照设定的温度规程进行连接，这是目前主流的模式[15-16]；②电流控制模式，即对样品施加设定大小的电流(或者电流密度)进行加热和连接[13]；③电压/功率控制模式：即按照设定电压/功率对样品进行加热和连接[9].

此外，连接过程中既可采用模具，也可不采用模具[10].当母材导电性较差或采用粉体中间层时，通常采用模具进行连接，此时电流通过外加模具和样品，样品同时被内外两个热源加热.当连接材料导电性好时，则可通过电流直接加热样品，此时加热可更为迅速，断电后样件也将快速冷却.研究指出，无模具时脉冲电流带来的局部焦耳热、电致扩散、电塑性等效应的影响更为明显[15-16].

1.2 SPS 连接的基本原理和特点

SPS 连接一般为固相扩散连接.传统扩散连接可分为物理接触、接触表面的激活、扩散和形成接头三个阶段，而脉冲电流在不同阶段均具有重要影响.

在物理接触阶段，由于接触界面的阻抗大，脉冲电流将在界面处产生较多的焦耳热并引发局部高温[17]；而电致塑性可降低母材的屈服强度，促进连接界面的快速变形和孔洞消失，增强了界面接触[18].

在接触表面的激活阶段，高频的脉冲电场将在连接界面引发电火花放电现象，原理如图2 所示，该现象有利于去除待连接表面的氧化膜和吸附气体，具有表面活化作用[2]；同时，电火花放电使得晶粒发生熔化和蒸发，引发物质的蒸发-凝固传递，可促进界面的形成[19-20].

图2 放电等离子体的产生过程及其对界面传质的影响[2]Fig. 2 Formation process of spark plasma and its effect on mass transport at interface[2]

在扩散和形成接头阶段，界面(含晶界)的局部高温促进了原子的体扩散和晶界扩散；而“电子风”等作用增加了缺陷的平衡缺陷浓度、降低扩散激活能，从而促进了元素扩散[21-23].这些因素均有利于微孔弥合和界面再结晶.

因此，高频脉冲电流带来的焦耳热、放电等离子体、电致扩散和塑性等效应，相比于传统扩散连接，SPS 连接在效果上往往具有连接温度低、焊接时间短、界面弥合快、焊接精度高等特点.然而，连接过程中哪种效应占主导地位，则可能与材料物化性质、加热模式、样件组装形式等因素有关，相关机理有待研究.

2 SPS 连接的应用现状

2.1 SPS 在金属材料连接中的应用

SPS 技术在金属连接中的应用较为广泛，已报道研究涉及了铜合金、铝合金、TiAl 系化合物、高温合金、难熔金属、不锈钢等材料体系.

TiAl 系金属间化合物具有密度低、熔点高、力学性能优异等特点，在航空发动机等领域具有广阔的应用前景.由于脆性高、裂纹敏感性强，该类材料难以采用熔焊等方法进行连接，而采用传统扩散焊制备相关构件不仅耗时耗能，且存在残余应力大、脆性化合物多等问题[7,24-25].表1 总结了近年SPS连接TiAl 化合物的相关研究，可以发现：SPS 技术可实现TiAl 化合物的直接连接，而通过合适的中间层可进一步降低连接温度和时间并获得力学性能优异的连接接头.因此，SPS 技术为该类材料的连接提供了新思路.

表1 SPS 在TiAl 系金属化合物连接领域的代表性研究Table 1 Typical study of SPS bonding of Ti-Al intermetallic

传统扩散焊通常需要将工件整体长时间暴露在高温环境中，易造成母材相变、晶粒生长以及成分偏析等问题，而SPS 连接可较好地应对此类问题.He 等人[17]发现SPS 连接Ti-6Al-4V 时接头温度由界面向两侧递减，呈现梯度分布，这不仅促进了界面的元素扩散，而且可避免母材性能因受热而退化.Yang 等人[28]采用粉末中间层进一步放大了界面局部高温现象，由于粉体颗粒间的接触面积小、表面存在氧化膜，粉体中间层的阻抗远高于母材，通电时升温速率可达母材的100 倍.因此，通过合理调节功率和加热时间等参数，最终在几秒内实现316L 不锈钢的连接，最大限度上减少了热影响区.Fu 等人[29]则指出：采用SPS 技术可在无明显晶粒长大及氧化物团聚的条件下实现氧化物弥散强化不锈钢(ODS 钢)的连接.

对于钛/钢等冶金兼容性差的异种材料体系，SPS 连接在一定程度上抑制了脆性化合物的生长,有望代替爆炸焊等常用方法[30]，用于制备性能优异的异质接头.

Miriyev 等人[31]采用SPS 技术制备了无金属间化合物的Ti-6Al-4V/碳钢接头，抗拉强度可达250 MPa；而Ananthakumar 等人[32]采用SPS 技术、在650 ℃下保温5 min 条件下实现了钛和304L 不锈钢的快速焊接.由于低温短时连接抑制了Fe-Ti 脆性化合物的生长，所获接头剪切强度达到了429 MPa±18 MPa.同时，研究中提出了如图3 所示的连接机理，具体包括：连接初期时“等离子放电”去除吸附气体，促进表面清洁；连接中期时电流促进接触面蠕变和晶界扩散，加速界面弥合；连接时后期电流增强体扩散，促进微孔消除.然而，该模型中并未考虑脉冲电流通过“蒸发—凝固”促进传质等效应.

图3 SPS 扩散连接不同阶段机理示意图[32]Fig. 3 Schematic representation of different stages during SPS diffusion bonding[32]

此外，利用SPS 在烧结和连接方面的优势，可缩短工艺流程，降低成本.黄昊等人[33]采用SPS 技术同时实现了TZM 粉末烧结以及与钨块的连接，并通过断电快速降温细化了接头晶粒，从而实现了致密度高、结合力强的钨钼复合靶材的一步制备.Yang 等人[11]则采用SPS 实现TZM 合金与WRe合金的焊接，接头界面均无金属间化合物生成，无微孔和微裂纹存在，焊缝力学性能优异，且在1 500次热冲击后依然保持高强度.

2.2 SPS 在陶瓷材料连接中的应用

SPS 在陶瓷材料连接中也有较多应用，但相关研究主要集中于SiC 及其复合材料、超高温陶瓷，材料体系有待扩展.

为实现陶瓷的快速连接，连接时需要采用中间层材料促进界面接触和扩散.Li 等人[34]采用Ta-5W 中间层SPS 扩散连接SiC 陶瓷，发现SPS 模式下元素扩散系数比传统扩散连接时高两个数量级.研究中发现：1 600 ℃保温5 min 即可实现良好连接，接头剪切强度可达122 MPa±15 MPa.Rizzo 等人[35]连接β-SiC 时则指出：无中间层时需要对样件表面进行抛光，而采用中间层时则可降低表面要求.Zhao 等人[36-37]采用Mo/W/Mo 和Ti/Nb/Ti 两种复合中间层连接Cf/SiC 材料时，发现最佳连接温度分别为1 600 ℃和1 200 ℃，说明合理的中间层设计可显著降低连接温度.

相比于金属中间层材料，陶瓷中间层和基体的热膨胀一般较为匹配，可降低连接接头的残余应力.Zhou 等人[38]针对核能领域的应用需求，设计了包括Ti3SiC2粘带、SiC/Al4SiC4以及SiCw/Ti3SiC2粉体在内的一系列陶瓷中间层用于SiC 陶瓷的SPS 连接，均取得良好效果，最高剪切强度可达250 MPa[38-40].

为最大限度发挥陶瓷材料耐高温、耐腐蚀的优势，避免中间层带来的接头抗氧化/腐蚀性能下降等问题，部分学者则尝试通过SPS 实现陶瓷的无缝连接.例如，Shi 等人[15]通过溅射的纳米Yb 膜和SiC 反应生成Yb3Si2C2，随后通过SiC 和Yb3Si2C2的共晶反应实现SiC 的焊接；而Pinc 等人[16]通过Zr-B 的原位反应生成ZrB2连接ZrB2-SiC 陶瓷.由于此类方法获得的接头界面产物含量极少(焊缝极窄或无焊缝)，或者焊缝主要成分与母材相同，接头性能往往与母材相当.

此外，部分学者尝试通过直接扩散连接方式揭示SPS 连接的机理.Nisar 等人[41]则采用脉冲电流扩散直接连接TaC 和HfC 超高温陶瓷，认为高温高压下界面发生固态扩散和局部塑性变形而形成连接(图4)，而良好的接头组织和固溶强化使得接头性能优于母材；Kohama[42]研究了不同晶粒尺寸的ZrC 的自连接，则发现实现良好连接的最低温度随晶粒尺寸的减小而降低，晶界扩散在接头形成过程中占主导因素.可以看出，虽然母材均属于超高温陶瓷，但接头的形成机理完全不同，因此不同材料的SPS 连接机理仍待深入探究.

图4 TaC/HfC 的SPS 连接接头形成机理[40]Fig. 4 Formation mechanism of TaC/HfC joint bonded by SPS[40]

2.3 SPS 在陶瓷/金属连接中的应用

目前，关于SPS 连接陶瓷和金属的报道十分有限，下面根据接头功能对相关研究进行总结.

在结构接头方面，易耀勇等人[43]通过粉体烧结制备了W/Ti3SiC2连接接头，但因二者烧结温度差异大，所获钨块体的致密度差.Okuni 等人[44]则采用SiC-Al2O3-Y2O3粉体在1 700 ℃，5 min 条件下烧结连接钨和石墨，获得了抗拉强度为21 MPa 的良好接头.刘慧云等人[6]则采用SPS 连接石墨和980 钢块体，在950 ℃，40 MPa，3 min 条件下实现了冶金结合，但研究中缺乏接头强度的分析.

在功能接头方面，Kaszyca 等人[45]尝试使用锑和AgCuSn 等焊料实现热电材料(CoSb3)和电极材料(Cu/FeCr)的烧结连接；而Yang 等人[46]以镁粉和硅粉为原料，50 μm 厚的镍箔为中间层实现了热电材料MgSi2和铜电极(300 μm)的烧结焊接一体化，但接头抗剪强度仅为26 MPa.

综上，金属-陶瓷的SPS 连接研究仍处于可行性层面.笔者认为：由于升降温速率快、温度场分布不均匀、陶瓷抗热震性差、残余应力大等因素，SPS连接陶瓷和金属时界面极易产生微裂纹乃至直接开裂.但另一方面，SPS 自发形成温度梯度的特性使其在制备梯度功能材料方面具有突出优势，“SPS 低温连接+梯度中间层”的连接方式可为残余应力的缓解提供新思路.因此，如何合理设计连接工艺和结构，实现扬长避短，是实现陶瓷/金属异质接头SPS 制备的关键.