鈦合金與其它金屬材料擴散連接研究現狀與發展

仇 朋，王 娟，高 慧

（萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司，山東 濟南 271104）

擴散連接屬于金屬加工技術之一，通過原子之間擴散，形成穩固可靠金屬連接，制造出滿足生產生活需要的多種金屬材料，全面推動經濟發展與社會進步。近些年鈦合金應用越來越廣泛，加深對其他金屬與鈦合金擴散連接研究，對于推動鈦合金相關金屬材料加工技術革新具有重要意義。

1 擴散連接技術分析

1.1 擴散連接技術原理

擴散連接屬于焊接技術之一，主要指在保護氣氛下或者壓力、高溫、真空作用下，相互接觸的材料表面因為接觸發生局部或者全部塑性變形，再經過一段時間后原子（結合層）相互擴散，最終形成十分穩固材料連接的過程。同其他焊接方式相比，擴散連接技術所發生擴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散達到穩固連接目的，可有效避免其他焊接方式由于金屬等材料出現熔化，影響鈦合金質量等缺陷。且，擴散連接技術可以實現度不同特殊結構與不同材料的可靠連接。

一般將擴散連接技術過程分為物理接觸、界面推移及擴散、孔洞與界面消失三個主要環節。物理接觸環節，為擴散連接過程開始階段，此環節表面（初步處理）依舊存在凹凸不平情況，材料與材料接觸以點接觸為主，在壓力、高溫等作用條件下接觸點先發生塑性形變，隨著相應條件持續作用，材料與材料接觸面逐漸擴大，接觸越來越密切。界面推移及擴散為擴散連接中間環節，該階段材料與材料接觸面原子開始快速擴散與遷移，接觸面連接最初依靠金屬鍵，原子擴散深度不斷加深，逐漸轉變為冶金連接?？锥磁c界面消失，為擴散連接最后一個階段，此階段材料與材料接觸面擴散作用已經存在，擴散形式以體積擴散為主，接觸面組織逐漸均勻，原始界面開始逐漸消失，最終形成穩固連接，此過程往往需要數十分鐘到數十小時不等[1]。

1.2 技術特點

擴散連接技術在其他金屬與鈦合金連接加工中應用十分廣泛，這與技術本身特點有莫大關系。一般擴散連接技術具備如下特點。

（1）連接精密性高。采用擴散技術進行其他金屬與鈦合金加工中對裝配條件要求很高，由于這種裝配條件嚴苛，保證其他金屬與鈦合金連接精密性，擴散連接后相應構件殘余應力小，很難發生變形。

（2）連接技術實用性高。與其他連接方式相比，在鈦合金加工中應用此技術，適宜大面積構件、多點構件等多種類型構件連接，有效拓展技術使用范圍。

（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外，擴散連接技術也可應用到非金屬與金屬連接中，其可用范圍廣泛為其應用提供必要保障。

2 其它金屬與鈦合金材料擴散連接技術類別

2.1 TLP 擴散連接方式

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

2.2 DB 擴散連接方式

DB 擴散連接即常規擴散連接工藝，主要指通過加壓、加熱使材料發生擴散，最終達到結合目的，此種方式下施加溫度要比鈦合金與其他金屬熔點低，最大限度確保材料與材料連接擴散質量。根據其他金屬與鈦合金材料是否發生脆性相分為加中間層（有脆性）與不加中間層（無脆性）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生脆性相，確保中間層兩側金屬材料可以較好進行擴散連接，此種方式適合于其他金屬與鈦合金金屬直接擴散連接會產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散連接中不會發生脆性相，則無需增加中間層。

2.3 LD 擴散連接方式

LD 擴散連接即液相界面擴散連接方式，該種工藝擴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。加熱溫度達到900℃以后鈦合金發生反應，形成熔融的共晶體，并將接頭間隙填滿，保持900℃～950℃持續作用1.5 小時左右，確保材料擴散連接穩固。

2.4 SPF/DB 擴散連接方式

SPF 擴散連接即超塑成擴散連接技術，主要通過超塑性流動實現擴散連接，屬于同類材料擴散連接常用的方式之一，一般其他金屬與鈦合金擴散連接中應用比較少。采用該方式進行擴散連接可以獲得較好焊接質量，因此將其與傳統擴散連接方式相結合，形成新的擴散連接工藝，確保連接質量同時，降低擴散連接成本。形成新的SPF/DB 超塑成擴散連接技術為鈦合金擴散連接常用的方式之一。改進后超塑性擴散連接只需加熱一次，先進性擴散后進行塑形。

3 鈦合金材料擴散連接技術現狀分析

當前鈦合金加工技術包括切削、銑削、磨削、鍛造等，但這些鈦合金加工方式體現出加工成本高、加工效率低等不足，限制了鈦合金加工發展，鈦合金依舊屬于相對難于加工材料之一。導致鈦合金加工難度大原因主要如下。

（1）化學性質過于活潑，機械加工時容易與加工刀具發生氧化反應，進而出現加工硬化等質量問題。

（2）傳熱系數比較小，加工中難免會產生一定高溫度，由于鈦合金傳熱系數小的問題，極易導致鈦合金加熱溫度過高。

（3）彈性模量小，采用機械加工時不夠穩定，易出現刀具磨損等問題。

（4）強度較高，鈦合金強度高加工室產生熱量大，易導致加工刀具等出現嚴重損傷。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用擴散連接技術，可以有效降低鈦合金加工難度，有很高的批量生產應用價值，因此近年來對鈦合金擴散連接技術研究比較深入。逐漸形成了TLP、DB、LD、SPF/DB等多種擴散連接加工工藝，為鈦合金高質量加工提供技術保障。

4 其它金屬與鈦合金材料擴散連接技術應用及發展

4.1 不銹鋼與鈦合金擴散連接應用研究

利用擴散連接工藝可充分保留鈦合金與不銹鋼的優點，提升整體材料質量，滿足產品需求，有十分廣闊的市場前景。不同鈦合金與不銹鋼可以選擇不同擴散連接方式，全面確保鈦合金材料質量，根據鈦合金種類不同具體擴散連接工藝使用。

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

（2）00Crl8Nil0 不銹鋼與TC4 鈦合金采用直接擴散法，控制擴散連接溫度為880℃，擴散連接壓力控制在10MPa，時間控制為0.5h，接頭強度可達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，進行擴散連接實驗，可以獲得強度為146MPa 連接接頭，在直接法基礎上提升擴散連接強度，擴散溫度控制在850℃，擴散連接壓力控制在10MPa，時間控制為10～15min，中間層厚度控制在30μm[3]。

4.2 擴散連接技術（鈦合金）研究進展——以TC4 鈦合金為例

TC4 鈦合金屬于眾多鈦合金類型之一，此類鈦合金具很強綜合性，無論是塑性、耐高溫性、強度、焊接性、生物相容性、抗腐蝕性、韌性都比較好，屬于鈦合金行業中應用最為廣泛合金類型。因此近些年對此類型鈦合金擴散技術研究較多，基本涵蓋此類鈦合金擴散連接壓力、表面（接頭）狀態、保溫時間、保護氣體、連接溫度、中間層選擇等眾多領域。首先，對TC4 鈦合金疲勞斷裂特性（擴散連接后）研究，通過疲勞斷裂試件的具體斷口表現分析穿晶斷裂，對比實驗表明當擴散連接壓力與溫度合適時，鈦合金界面（連接處）的金相組織會變成針狀魏氏體，晶粒的尺寸也會變大，增強阻止疲勞裂紋擴展缺陷的進一步擴大，提升鈦合金抗裂能力。研究者實驗中所使用TC4 鈦合金板材，連接壓力參數為2.94MPa，溫度控制在960℃，保溫時間控制在2小時。其次，TC4 鈦合金SPF／DB 工藝研究。通過研究得出相應最為優化擴散工藝控制參數，920℃連接溫度，3.0MPa 加載壓力，1.5h 保溫時間。近年來此類鈦合金擴散連接工藝研究越來越多，研究越來越深入。

5 結束語

綜上所述，鈦合金與其它金屬材料擴散連接可以有效解決鈦合金加工困難問題，對于推動鈦合金大批量加工發展具有重要意義。當前鈦合金擴散連接工藝多用，涵蓋TLP、DB、LD、SPF/DB 等多種擴散連接加工工藝，對鈦合金擴散加工工藝也研究越來越深入細致。