鈦合金與其它金屬材料擴(kuò)散連接研究現(xiàn)狀與發(fā)展

仇 朋，王 娟，高 慧

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東 濟(jì)南 271104）

擴(kuò)散連接屬于金屬加工技術(shù)之一，通過原子之間擴(kuò)散，形成穩(wěn)固可靠金屬連接，制造出滿足生產(chǎn)生活需要的多種金屬材料，全面推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步。近些年鈦合金應(yīng)用越來越廣泛，加深對(duì)其他金屬與鈦合金擴(kuò)散連接研究，對(duì)于推動(dòng)鈦合金相關(guān)金屬材料加工技術(shù)革新具有重要意義。

1 擴(kuò)散連接技術(shù)分析

1.1 擴(kuò)散連接技術(shù)原理

擴(kuò)散連接屬于焊接技術(shù)之一，主要指在保護(hù)氣氛下或者壓力、高溫、真空作用下，相互接觸的材料表面因?yàn)榻佑|發(fā)生局部或者全部塑性變形，再經(jīng)過一段時(shí)間后原子（結(jié)合層）相互擴(kuò)散，最終形成十分穩(wěn)固材料連接的過程。同其他焊接方式相比，擴(kuò)散連接技術(shù)所發(fā)生擴(kuò)散與連接并非是宏觀意義上塑性變形或者熔化，而是通過固相原子擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)固連接目的，可有效避免其他焊接方式由于金屬等材料出現(xiàn)熔化，影響鈦合金質(zhì)量等缺陷。且，擴(kuò)散連接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)度不同特殊結(jié)構(gòu)與不同材料的可靠連接。

一般將擴(kuò)散連接技術(shù)過程分為物理接觸、界面推移及擴(kuò)散、孔洞與界面消失三個(gè)主要環(huán)節(jié)。物理接觸環(huán)節(jié)，為擴(kuò)散連接過程開始階段，此環(huán)節(jié)表面（初步處理）依舊存在凹凸不平情況，材料與材料接觸以點(diǎn)接觸為主，在壓力、高溫等作用條件下接觸點(diǎn)先發(fā)生塑性形變，隨著相應(yīng)條件持續(xù)作用，材料與材料接觸面逐漸擴(kuò)大，接觸越來越密切。界面推移及擴(kuò)散為擴(kuò)散連接中間環(huán)節(jié)，該階段材料與材料接觸面原子開始快速擴(kuò)散與遷移，接觸面連接最初依靠金屬鍵，原子擴(kuò)散深度不斷加深，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯疬B接?？锥磁c界面消失，為擴(kuò)散連接最后一個(gè)階段，此階段材料與材料接觸面擴(kuò)散作用已經(jīng)存在，擴(kuò)散形式以體積擴(kuò)散為主，接觸面組織逐漸均勻，原始界面開始逐漸消失，最終形成穩(wěn)固連接，此過程往往需要數(shù)十分鐘到數(shù)十小時(shí)不等[1]。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

擴(kuò)散連接技術(shù)在其他金屬與鈦合金連接加工中應(yīng)用十分廣泛，這與技術(shù)本身特點(diǎn)有莫大關(guān)系。一般擴(kuò)散連接技術(shù)具備如下特點(diǎn)。

（1）連接精密性高。采用擴(kuò)散技術(shù)進(jìn)行其他金屬與鈦合金加工中對(duì)裝配條件要求很高，由于這種裝配條件嚴(yán)苛，保證其他金屬與鈦合金連接精密性，擴(kuò)散連接后相應(yīng)構(gòu)件殘余應(yīng)力小，很難發(fā)生變形。

（2）連接技術(shù)實(shí)用性高。與其他連接方式相比，在鈦合金加工中應(yīng)用此技術(shù)，適宜大面積構(gòu)件、多點(diǎn)構(gòu)件等多種類型構(gòu)件連接，有效拓展技術(shù)使用范圍。

（3）可用范圍廣泛。除了鈦合金與其他金屬連接上可以使用此種技術(shù)外，擴(kuò)散連接技術(shù)也可應(yīng)用到非金屬與金屬連接中，其可用范圍廣泛為其應(yīng)用提供必要保障。

2 其它金屬與鈦合金材料擴(kuò)散連接技術(shù)類別

2.1 TLP 擴(kuò)散連接方式

TLP 擴(kuò)散連接主要指瞬間液相擴(kuò)散，利用熔化溫度較低且化學(xué)成分與鈦合金材料基本相近的中間層合金，在一定擴(kuò)散連接溫度下形成中間層，推動(dòng)中間層發(fā)生熔化，并在連接面形成相應(yīng)的液態(tài)薄膜。液態(tài)薄膜形成之后保持作用溫度不變，促進(jìn)基體金屬與中間層合金之間快速凝固，確保接頭組織均勻，最終形成穩(wěn)固連接[2]。

2.2 DB 擴(kuò)散連接方式

DB 擴(kuò)散連接即常規(guī)擴(kuò)散連接工藝，主要指通過加壓、加熱使材料發(fā)生擴(kuò)散，最終達(dá)到結(jié)合目的，此種方式下施加溫度要比鈦合金與其他金屬熔點(diǎn)低，最大限度確保材料與材料連接擴(kuò)散質(zhì)量。根據(jù)其他金屬與鈦合金材料是否發(fā)生脆性相分為加中間層（有脆性）與不加中間層（無(wú)脆性）兩種形式，其中加中間層可以通過中間層添加防止脆性相形成，確保材料本身不與中間層和原接觸面發(fā)生脆性相，確保中間層兩側(cè)金屬材料可以較好進(jìn)行擴(kuò)散連接，此種方式適合于其他金屬與鈦合金金屬直接擴(kuò)散連接會(huì)產(chǎn)生脆性金屬間化合物的情況。相反，如果其他金屬材料與鈦合金材料擴(kuò)散連接中不會(huì)發(fā)生脆性相，則無(wú)需增加中間層。

2.3 LD 擴(kuò)散連接方式

LD 擴(kuò)散連接即液相界面擴(kuò)散連接方式，該種工藝擴(kuò)散作用條件需要將溫度控制在接觸金屬材料與鈦合金材料熔點(diǎn)以下。施加壓力也比較小，只要確保材料可以接觸便可，一般接觸面上常常鍍鎳、鍍銅或者增加0.005mm～0.03mm 銅或鎳箔過渡層。加熱溫度達(dá)到900℃以后鈦合金發(fā)生反應(yīng)，形成熔融的共晶體，并將接頭間隙填滿，保持900℃～950℃持續(xù)作用1.5 小時(shí)左右，確保材料擴(kuò)散連接穩(wěn)固。

2.4 SPF/DB 擴(kuò)散連接方式

SPF 擴(kuò)散連接即超塑成擴(kuò)散連接技術(shù)，主要通過超塑性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接，屬于同類材料擴(kuò)散連接常用的方式之一，一般其他金屬與鈦合金擴(kuò)散連接中應(yīng)用比較少。采用該方式進(jìn)行擴(kuò)散連接可以獲得較好焊接質(zhì)量，因此將其與傳統(tǒng)擴(kuò)散連接方式相結(jié)合，形成新的擴(kuò)散連接工藝，確保連接質(zhì)量同時(shí)，降低擴(kuò)散連接成本。形成新的SPF/DB 超塑成擴(kuò)散連接技術(shù)為鈦合金擴(kuò)散連接常用的方式之一。改進(jìn)后超塑性擴(kuò)散連接只需加熱一次，先進(jìn)性擴(kuò)散后進(jìn)行塑形。

3 鈦合金材料擴(kuò)散連接技術(shù)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前鈦合金加工技術(shù)包括切削、銑削、磨削、鍛造等，但這些鈦合金加工方式體現(xiàn)出加工成本高、加工效率低等不足，限制了鈦合金加工發(fā)展，鈦合金依舊屬于相對(duì)難于加工材料之一。導(dǎo)致鈦合金加工難度大原因主要如下。

（1）化學(xué)性質(zhì)過于活潑，機(jī)械加工時(shí)容易與加工刀具發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)加工硬化等質(zhì)量問題。

（2）傳熱系數(shù)比較小，加工中難免會(huì)產(chǎn)生一定高溫度，由于鈦合金傳熱系數(shù)小的問題，極易導(dǎo)致鈦合金加熱溫度過高。

（3）彈性模量小，采用機(jī)械加工時(shí)不夠穩(wěn)定，易出現(xiàn)刀具磨損等問題。

（4）強(qiáng)度較高，鈦合金強(qiáng)度高加工室產(chǎn)生熱量大，易導(dǎo)致加工刀具等出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。盡管鈦合金加工難度大，但其用途廣泛，在航天航空等特殊領(lǐng)域十分重要，因此研究其鍛造加工工藝，十分重要。

鈦合金加工過程中運(yùn)用擴(kuò)散連接技術(shù)，可以有效降低鈦合金加工難度，有很高的批量生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，因此近年來對(duì)鈦合金擴(kuò)散連接技術(shù)研究比較深入。逐漸形成了TLP、DB、LD、SPF/DB等多種擴(kuò)散連接加工工藝，為鈦合金高質(zhì)量加工提供技術(shù)保障。

4 其它金屬與鈦合金材料擴(kuò)散連接技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

4.1 不銹鋼與鈦合金擴(kuò)散連接應(yīng)用研究

利用擴(kuò)散連接工藝可充分保留鈦合金與不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，提升整體材料質(zhì)量，滿足產(chǎn)品需求，有十分廣闊的市場(chǎng)前景。不同鈦合金與不銹鋼可以選擇不同擴(kuò)散連接方式，全面確保鈦合金材料質(zhì)量，根據(jù)鈦合金種類不同具體擴(kuò)散連接工藝使用。

（1）0Crl8Ni9Ti 不銹鋼與TAl7 鈦合金選擇相變超塑性擴(kuò)散連接法，控制工藝上限溫度參數(shù)890℃，工藝下限溫度參數(shù)800℃，循環(huán)10 次，加熱速度（循環(huán)）需要控制30℃／s，擴(kuò)散連接壓力控制在5MPa，時(shí)間控制為160s，接頭強(qiáng)度便可達(dá)到307MPa。

（2）00Crl8Nil0 不銹鋼與TC4 鈦合金采用直接擴(kuò)散法，控制擴(kuò)散連接溫度為880℃，擴(kuò)散連接壓力控制在10MPa，時(shí)間控制為0.5h，接頭強(qiáng)度可達(dá)74MPa，界面的變形率依舊在1.00%以下。

（3）00Crl8Ni10不銹鋼與TC4鈦合金，中間層為Pt—Ni合金，進(jìn)行擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)，可以獲得強(qiáng)度為146MPa 連接接頭，在直接法基礎(chǔ)上提升擴(kuò)散連接強(qiáng)度，擴(kuò)散溫度控制在850℃，擴(kuò)散連接壓力控制在10MPa，時(shí)間控制為10～15min，中間層厚度控制在30μm[3]。

4.2 擴(kuò)散連接技術(shù)（鈦合金）研究進(jìn)展——以TC4 鈦合金為例

TC4 鈦合金屬于眾多鈦合金類型之一，此類鈦合金具很強(qiáng)綜合性，無(wú)論是塑性、耐高溫性、強(qiáng)度、焊接性、生物相容性、抗腐蝕性、韌性都比較好，屬于鈦合金行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛合金類型。因此近些年對(duì)此類型鈦合金擴(kuò)散技術(shù)研究較多，基本涵蓋此類鈦合金擴(kuò)散連接壓力、表面（接頭）狀態(tài)、保溫時(shí)間、保護(hù)氣體、連接溫度、中間層選擇等眾多領(lǐng)域。首先，對(duì)TC4 鈦合金疲勞斷裂特性（擴(kuò)散連接后）研究，通過疲勞斷裂試件的具體斷口表現(xiàn)分析穿晶斷裂，對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)擴(kuò)散連接壓力與溫度合適時(shí)，鈦合金界面（連接處）的金相組織會(huì)變成針狀魏氏體，晶粒的尺寸也會(huì)變大，增強(qiáng)阻止疲勞裂紋擴(kuò)展缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大，提升鈦合金抗裂能力。研究者實(shí)驗(yàn)中所使用TC4 鈦合金板材，連接壓力參數(shù)為2.94MPa，溫度控制在960℃，保溫時(shí)間控制在2小時(shí)。其次，TC4 鈦合金SPF／DB 工藝研究。通過研究得出相應(yīng)最為優(yōu)化擴(kuò)散工藝控制參數(shù)，920℃連接溫度，3.0MPa 加載壓力，1.5h 保溫時(shí)間。近年來此類鈦合金擴(kuò)散連接工藝研究越來越多，研究越來越深入。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鈦合金與其它金屬材料擴(kuò)散連接可以有效解決鈦合金加工困難問題，對(duì)于推動(dòng)鈦合金大批量加工發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前鈦合金擴(kuò)散連接工藝多用，涵蓋TLP、DB、LD、SPF/DB 等多種擴(kuò)散連接加工工藝，對(duì)鈦合金擴(kuò)散加工工藝也研究越來越深入細(xì)致。