陶瓷和金属的扩散连接特点

扩散连接是陶瓷/金属连接常用的方法，是在一定的温度和压力下，被连接表面相互接触，通过使接触面局部发生塑性变形，或通过被连接表面产生的瞬态液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间相互扩散而形成整体可靠连接的过程。这种连接方法的特点是接头质量稳定、连接强度高、接头高温性能和耐蚀性好。

1.直接扩散连接

直接扩散连接要求被连接件的表面非常平整和洁净，在高温及压力作用下达到原子接触，进而实现连接界面原子的扩散迁移。

2.间接扩散连接

在陶瓷连接中最常用的是间接扩散连接方法。通过在被连接件间加入塑性好的金属中间层，在一定的温度和压力下完成连接。间接扩散连接可以使连接温度降低，避免被连接件组织粗大，减少了不同材料连接时热物理性能不匹配所引起的问题，因此是陶瓷与金属连接的有效手段。间接扩散连接分为如下两种方式：

1）陶瓷、金属和中间层三者都保持固态不熔融状态，只是通过加热、加压使陶瓷与金属之间的接触面积逐渐扩大，某些成分发生表面扩散和体积扩散，消除界面孔穴，使界面发生移动，最终形成可靠连接。

2）中间层瞬间熔化，在扩散连接过程中接缝区瞬时出现微量液相，也称为瞬间液相扩散连接（TLP）。这种方法结合了钎焊和固相扩散连接的优点，利用在某一温度下待连接母材与中间层之间形成低熔点共晶，通过溶质原子的扩散发生等温凝固和加速扩散过程，形成组织均匀的扩散连接接头。

过渡液相扩散连接可应用到陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接，并可对过渡液相扩散连接接头形成过程、中间层设计、连接温度和压力等对接头性能的影响、连接机理等进行深入的研究。

微量液相的出现有助于改善界面接触状态，能降低连接温度，允许使用较低的扩散压力。获得微量液相的方法主要有两种：(www.xing528.com)

①利用共晶反应。利用某些异种材料之间可能形成低熔点共晶的特点进行液相扩散连接（称为共晶反应扩散连接）。这种方法要求一旦液相形成应立即降温使之凝固，以免继续生成过量液相，所以要严格控制温度和保温时间。

将共晶反应扩散连接原理应用于加中间层扩散连接时，液相总量可通过中间层厚度来控制，这种方法称为或过渡液相扩散连接（瞬间液相扩散连接）。

②添加特殊钎料。采用与母材成分接近但含有少量既能降低熔点又能在母材中快速扩散的元素（如B、Si、Be等），用这种钎料作为中间层，以箔片或涂层方式加入。与普通钎焊相比，这种钎料层厚度较薄，钎料凝固是在等温状态下完成，而钎焊时钎料是在冷却过程中凝固的。

在陶瓷与金属的连接中，扩散连接具有广泛的应用和可靠的质量控制。陶瓷材料扩散连接工艺主要有同种陶瓷材料直接扩散连接、用另一种薄层材料扩散连接同种陶瓷材料、异种陶瓷材料直接扩散连接、用第三种薄层材料扩散连接异种陶瓷材料四种形式。

陶瓷与金属连接时，常采用添加中间层的扩散连接以及共晶反应扩散连接等。陶瓷材料扩散连接的主要优点是连接强度高、尺寸容易控制、适合于连接异种材料。主要不足是扩散温度高、时间长且在真空下连接、设备一次投入大、试件尺寸和形状受限制。

陶瓷与金属的扩散连接既可在真空中，也可在氢气氛中进行。金属表面有活性膜时更易产生相互间的化学作用。因此，在连接真空室中充以还原性的活性介质（使金属表面保持一层薄的活性膜）会使扩散连接接头具有更牢固的结合和更高的强度。

氧化铝陶瓷与无氧铜之间的扩散连接温度达到900℃可得到合格的接头强度，而更高的强度指标要在1030～1050℃连接温度下才能获得，因为此时铜具有很大的塑性，易在压力下产生变形，使实际接触面增大。影响扩散连接接头强度的主要因素是加热温度、保温时间、施加的压力、环境介质、被连接面的表面状态以及被连接材料之间的化学反应和物理性能（如线胀系数等）的匹配。