钎焊和扩散连接的比较优缺点

1.高温合金钎焊

（1）钎焊特点 高温合金（包括熔焊焊接性较差的铸造高温合金、镍-铝基高温合金等）可采用钎焊方法进行焊接。钎焊不但可以焊接结构简单的焊件，也可以焊接结构复杂的焊件。

高温合金中含有较多的Cr、Al、Ti等活性元素，在合金表面形成稳定的氧化膜，会影响钎料的润湿和填缝能力，因此去除氧化膜和在钎焊高温下防止合金再氧化成为高温合金钎焊的首要问题；另外，钎料中也含有Cr等元素，呈液态的钎料更要求防止氧化，因此高温合金一般采用真空钎焊和保护气氛炉中钎焊。

钎焊时，要求钎焊焊接参数与母材的固溶处理制度相匹配。钎焊温度过高，会造成晶粒长大，影响合金性能；温度过低达不到固溶处理的效果，钎焊温度是钎焊高温合金最主要的参数。由于高温合金焊件使用于高温条件下，有时要承受大的应力，为适应这种使用条件，提高钎缝组织的稳定性和重熔温度、增强接头强度，往往在钎焊后进行扩散处理。

（2）钎料 钎料的选择，首先应考虑钎焊部位的工作条件及要求，如使用温度、工作介质、承受何种应力等；其次应考虑母材的特性和热处理制度的要求；第三应考虑接头形式、焊接部位厚度、装配间隙、焊后加工处理等因素。

1）镍基和钴基钎料。镍基和钴基钎料具有良好的抗氧化性、耐蚀和热强性能，并具有较好的钎焊工艺性能，经钎焊热循环不会产生开裂，因此适用于高温合金部件的钎焊，是应用最多的钎料。常用镍基和钴基钎料的化学成分及钎焊温度见表6-19。

表6-19 常用镍基和钴基钎料的化学成分及钎焊温度

从表6-19中可见，镍基钎料是在镍基中加入Cr、Mn、Co形成固溶体的，加入B、Si、P、C形成共晶元素，以控制钎料的热强性，提高钎料的高温强度，还可以提高钎料在高温合金中的润湿能力。钴基钎料一般为Co-Cr-B系合金，为了降低钎料的熔点和提高其高温性能常加适量的Si和W。钎料中加入不同含量的合金元素其性能不同，应用也不同。表6-20列出了镍基和钴基钎料的适用范围。

表6-20 镍基和钴基钎料的适用范围

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①A最好；B满意；C不大满意；X不适用。

②从1到6，1最高，6最低。

由于镍基和钴基钎料中含有较多的B、Si或P元素，会形成较多的硼化物、硅化物和磷化物脆性相，使钎料变形能力较差，不能制成丝或箔材，通常以粉状供应，使用时需要用粘结剂调成膏状涂于焊接处。但用粘接方法装置钎料，即不方便又不易控制钎料加入量，可采用非晶态工艺制成的箔状钎料或粘带钎料。

非晶态镍基箔状钎料带宽为20～100mm、厚度为0.025～0.05mm，带材具有柔韧性、可冲剪成形，使用量容易控制，装配也方便。粘带镍基钎料是由粉状镍基钎料和高分子粘接剂混合经轧制而成。粘带钎料宽度为50～100mm、厚度为0.1～1.0mm。粘带钎料中的粘接剂在钎焊后不留残渣，不影响钎焊质量。它可以控制钎料用量和均匀地加入，很方便用于焊接面积大和结构复杂的焊件。

2）铜基和银基钎料。铜基和银基钎料的化学成分及主要性能见表6-21。铜基和银基钎料可用于工作温度为200～400℃的铁基和镍基固溶合金结构件。铜基钎料不能用于钎焊钴基合金，因为铜会污染钴基母材，引起微裂纹。铜磷钎料不适用于钎焊高温合金。铜基和银基钎料仅用于工作温度低、受力很小的一般高温制件，如导管等。

表6-21 钎焊高温合金用的铜基、锰基、银基、金基钎料的化学成分及性能

3）其他钎料。金基钎料适用于钎焊各类高温合金。这类合金具有优异的钎焊工艺性、塑性、抗氧化性和耐蚀性，高温性能较好，以及与母材作用弱等优点，在航空航天和电子工业得到广泛的应用。典型的金基钎料是BAu80Cu和BAu82Ni，其化学成分和性能见表6-21。但这类钎料中含有较多的贵金属，价格昂贵。

锰基钎料可用于在600℃工作的高温合金构件。这类钎料塑性良好，可制成各种形状，与母材作用弱，但其抗氧化性较差。锰基钎料主要采用保护气体钎焊，不适用于火焰钎焊和真空钎焊。常用的锰基钎料的化学成分和性能见表6-21。

含钯钎料主要有银-铜-钯、银-钯-锰和镍-锰-钯等系钎料，其化学成分和性能见表6-21。这类钎料具有良好的钎焊工艺性。银-铜-钯系钎料的综合性能最好，但钎焊接头的工作温度较低（不高于427℃）。虽然镍-锰-钯系钎料的熔点较低，但接头高温性能较高，可在800℃下工作。

（3）接头设计 因为高温合金钎缝的强度低于母材，不能满足高温使用要求，一般不采用对接形式。推荐采用搭接接头，通过调整搭接长度增大接触面积，提高接头强度。此外，搭接接头的装配要求也相对比较简单，便于生产。接头的搭接长度一般为组成接头中薄件厚度的3倍，对于在700℃以下工作的接头，其搭接长度可增大到薄件厚度的5倍。

接头的装配间隙对钎焊质量和接头强度有影响。间隙过大时，会破坏钎料的毛细作用，钎料不能填满接头间隙，钎缝中存在较多硼、硅脆性共晶组织，还可能出现硼对母材晶界渗入和熔蚀问题。高温钎焊接头的间隙一般为0.02～0.15mm，适宜的间隙可根据母材的物理、化学性能、母材与钎料的浸润性和钎焊工艺等因素通过试验确定。

（4）焊前清理及钎焊工艺 焊前应彻底清除焊件和钎料表面上的氧化物、油污和其他外来物，并在储运和装配、定位等工序中保持清洁。可采用化学法清除氧化物，用超声波清除污物。焊件应精密装配，保证装配间隙，控制钎料加入量，并用适当的定位方法保持焊件和钎料的相对位置。高温合金钎焊前的状态推荐为固溶或退火状态，尤其是对铝、钛含量较高的时效强化合金。

钎焊温度和保温时间是保护气体钎焊和真空钎焊的主要焊接参数。钎焊温度一般应高于钎料液相线30～50℃。某些流动性差的钎料其钎焊温度需要比液相线温度高出100℃。适当提高钎焊温度，可降低钎料的表面张力，改善润湿性和填充能力。但钎焊温度过高，会造成钎料流失，还可能导致因为钎料与母材的作用过分而引起熔蚀和晶界渗入，形成脆性相以及母材晶粒长大问题等。保温时间取决于母材特性、钎焊温度以及装炉质量等因素。保温时间过长，也会出现与钎焊温度过高的类似问题。在确定高温合金钎焊焊接参数时，还应考虑与母材的热处理制度匹配。

（5）接头缺陷及预防措施 钎焊接头中的缺陷主要有未焊透、熔蚀和气孔。

未焊透对气密性要求严格的接头是不允许的缺陷，因此应避免。消除未焊透提高钎着率的措施有：正确设计钎焊接头各参数，特别是钎缝面积大时，应设计有排气沟槽；加强焊前处理，使钎料能很好地在母材上铺展和填充；调整钎焊焊接参数，使钎料充满钎缝。

当钎料选择不合适或钎焊工艺参数不当时，易引起钎料过度溶解母材而形成熔蚀。这种缺陷，在钎焊薄件时应特别注意。预防措施有：选择含硼、碳元素低的钎料；限制钎焊温度最高值和保温时间。

大间隙钎焊时经常出现缩孔缺陷。当缩孔较小时，对接头性能影响不大，但连续的较大面积的缩孔缺陷应当避免。可通过调整装配间隙，适当提高钎焊温度和控制冷却速度的工艺措施来消除缩孔。

（6）接头组织与力学性能 高温合金钎焊接头组织及性能与母材化学成分、所用钎料、钎缝间隙、钎焊工艺参数和焊后处理等因素有关。研究表明，采用硅、硼含量较高的镍基钎料，会因钎料和母材发生作用而导致熔蚀和钎料元素沿母材晶界渗入现象，并且这两种现象均随钎焊温度的升高和保温时间的延长而加剧，其中钎焊温度影响较大。预防熔蚀和晶界渗入现象的措施是选用硅、硼含量较低的钎料和在保证钎焊过程正常进行的情况下采用较低的钎焊温度和较短的保温时间。

选用适当的钎料和钎焊工艺，可获得性能较好的钎焊接头。几种高温合金钎焊接头的力学性能列于表6-22。

表6-22 高温合金钎焊接头的力学性能

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①σ为持久拉伸应力；t为相应拉伸应力下的断裂时间。

2.大间隙钎焊工艺

高温合金铸件、锻件的钎焊，其间隙一般大于0.3mm，局部可达到0.6mm以上，由此产生了大间隙钎焊工艺。大间隙钎焊的原理是采用金属粉或合金粉作为高熔点组分与钎料（低熔点组分）组成粘度大的粘滞物，填充并滞留在间隙中，依靠液态钎料润湿流布于母材和合金粉之间，并相互作用而形成牢固的钎焊接头，将零件连接起来。大间隙钎焊包括接头准备、钎料和合金粉的选用及添加、钎焊和扩散处理等工艺环节。

（1）接头准备 大间隙钎焊的接头设计除产品结构要求外应设计为有利于合金粉和钎料添加的形式，如T形接头、小搭接长度的搭接接头等。钎焊间隙因钎焊工艺的不同而不同，一般为0.3～0.8mm。接头在焊前应该仔细清理待焊表面。

（2）合金粉和钎料的选择和添加 合金粉和钎料应根据高温合金焊件使用要求、母材特性和接头形式选择。常用合金粉末有镍粉、80Ni-20Cr粉、K3合金粉、K5合金粉、FGH95合金粉等。选用与母材相同成分的合金粉为最好。

当焊件工作温度低，承受应力小时，选用纯镍粉。当焊件工作温度高，承受应力较大时，选用K3、K5或FGH95合金粉。钎料的选用除一般原则外应选择固-液相温度区间较大的钎料，这种钎料流动性差，易滞留在接头间隙中。合金粉和钎料的粒度不宜过大或过小。粒度越小，表面积加大，合金粉与钎料作用面积加大，易使混合料熔点变高，钎缝中形成缩孔；粒度过大，合金粉之间空隙过大，钎料填充后形成大块共晶组织。一般合金粉粒度为0.071～0.154mm。合金粉与钎料的比例一般为35∶65至45∶55之间。

合金粉与钎料应加入间隙中，加入方式有混合法和预置法两种，而预置法又可分为静压法和预烧结法。

混合法是将一定成分，一定粒度的合金粉和钎料按照一定的比例混合均匀，然后放置在钎焊间隙中并捣实。该方法的优点是合金粉与钎料可以按比例加入，混合料用量也便于控制。其缺点是混合料是粉末状态，钎焊后钎缝金属收缩，造成钎缝仍未填满或钎缝中有较多的缩孔。

预置法是将一定成分和粒度的合金粉预先置入间隙中，然后施加静压使合金粉密实或进行烧结，再在钎缝口处添加钎料，当加热到钎焊温度时，钎料熔化并沿合金粉空隙流满钎缝形成牢固接头。预置法的优点是可以消除钎缝中的大部分孔洞，防止大块脆性相。其缺点是合金粉与钎料的比例不能控制，并且增加了一道烧结工序。若从保证钎焊质量出发，最好采用预置烧结法。

（3）钎焊工艺 大间隙钎焊主要焊接参数包括钎焊温度和保温时间。钎焊温度不宜过低，一般应高于正常钎焊温度10℃左右。钎焊温度偏低，钎料与合金粉作用较弱，钎料中的硼很少扩散，使钎缝中形成较多的硼化物脆性相。若钎焊温度高一些，钎料与合金粉相互溶解，硼向合金粉的扩散增强，钎缝中镍的固溶体比例增加，大块镍-硼化物共晶消除，钎缝中仅存在不连续分布的复合化合物相，改善了钎缝组织。保温时间也应比正常钎焊的保温时间长。时间过短，钎缝中的合金粉与钎料作用不充分，易出现大块共晶组织，而且孔洞缺陷也多。只有充分的保温时间，组织才会比较均匀，缺陷也会减少。

扩散处理是为改善钎缝组织，提高钎缝质量和重熔温度，提高钎焊接头的力学性能，尤其高温持久性能而进行的。扩散温度一般选择母材固溶处理温度或比钎焊温度稍高的温度。较高的温度可加快B、Si元素的扩散，促使共晶组织产生转变，形成高熔点的化合物相，且呈不连续分布。扩散时间一般较长，从2h至3h，依不同合金粉、钎料和母材而选择不同时间，以达到组织改善或均匀化目的。

3.高温合金扩散连接

固相扩散连接几乎可以焊接各类高温合金，如机械合金化型高温合金、含高Al、Ti的铸造高温合金等。高温合金中含有Cr、Al等元素，表面氧化膜很稳定，难以去除，焊前必须严格加工和清理，甚至要求表面镀层后才能进行固相扩散连接。

高温合金的热强性高，变形困难，同时又对过热敏感，因此必须严格控制焊接参数才能获得与母材等强的焊接接头。扩散连接的主要工艺参数是焊接温度、焊接压力、保温时间，以及接头扩散处理时的温度和时间等。高温合金扩散焊时，需要较高的焊接温度和压力，焊接温度约为0.8～0.85T_m（T_m为合金的熔化温度）。

焊接压力通常为略低于相应温度下合金的屈服应力。其他参数不变时，焊接压力越大，界面变形越大，表面粗糙程度降低，有效接触面积增大，接头性能越好；但焊接压力过高，会使设备结构复杂，造价昂贵。焊接温度较高时，接头性能提高，但焊接温度过高会引起晶粒长大，塑性降低。表6-23和图6-14分别给出了几种高温合金固相扩散连接的工艺参数及焊接压力和温度对接头力学性能的影响。

表6-23 几种高温合金固相扩散连接的工艺参数

图6-14 焊接压力和温度对接头力学性能的影响

a）GH99 b）GH3039

1—焊接温度为1000℃ 2—焊接温度为1150℃ 3—焊接温度为—1175℃ 4—焊接温度为1200℃

固态扩散连接含铝、钛高的沉淀强化高温合金时，由于结合面上会形成Ti（CN）、NiTiO₃沉淀物，造成接头性能降低，若加入较薄的Ni-35%Co中间层合金，则可以获得组织均匀的接头，同时可以降低焊接参数变化对接头质量的影响。

4.过渡液相扩散连接（TLP）

过渡液相扩散连接（也称为瞬时液相扩散连接）是用一种特殊成分、熔化温度较低的薄层中间层作为连接合金，放置在焊接面之间，施加小的压力或不施加压力，并在真空条件下加热到中间层合金熔化，液态的中间层合金润湿母材，在焊接面间形成均匀的液态薄膜；经过一定的保温时间，中间层合金与母材之间发生扩散，合金元素趋向于平衡，熔点升高达到扩散焊加热温度而进一步扩散形成牢固的连接。由此可见，它是与钎焊不同的连接方法。这种方法尤其适用于焊接性较差的铸造高温合金。

过渡液相扩散连接所用的中间层合金是关系到焊接成败的重要因素。中间层合金的成分应保证过渡液相扩散连接工艺过程顺利进行，即应有合适的熔化温度（大约为母材熔点T_m的0.8～0.9倍），应能使接头区在连接温度下达到等温凝固；扩散接头的组织与母材相近，不产生新的有害相。中间层合金成分还应保证接头性能与母材相近，达到使用性能要求。

一般中间层合金以Ni-Cr-Mo或Ni-Cr-Co-W（Mo）为基，加入适量B或Si元素而构成。如DZ22定向凝固高温合金的中间层合金Z2P和Z2F；DD3单晶合金的D1F均是这样设计和研制的。有时中间层合金中也适当加入或调整固溶强化元素Co、Mo、W的比例，如Ni₃Al基高温合金的中间层合金I6F、I7F、D1F等。

中间层合金的品种有粉状和非晶态箔材。非晶态箔材的厚度为0.02～0.04mm。

过渡液相扩散连接的工艺参数有中间合金成分、连接温度、保温时间和压力、真空度等。压力参数仅是以焊件接合面能保持良好的接触为目的，可以不加压力或施加很小的压力，而且往往是加静压力。这样可防止工件在连接时发生宏观变形，连接设备也可以大大的简化。

连接温度和保温时间参数对接头质量影响很大，它取决于母材性能、中间层合金成分和熔化温度。对要求质量高、强度高的接头，应选择较高的连接温度和较长的保温时间，使中间层合金与母材充分扩散，消除焊缝中B、Si的共晶组织。中间层合金的厚度以能形成均匀液态薄膜为原则，一般选用0.02～0.05mm为宜。

表6-24列出了几种高温合金过渡液相扩散连接的工艺参数。DZ22为定向凝固高温合金，DD3为我国研制的第一代单晶合金，DD6为第二代单晶合金，IC6和IC10为定向凝固Ni₃Al基高温合金。过渡液相扩散连接采用的中间层分别以所焊合金母材为基，加入B作为降低熔点的元素，使用形式为非晶态箔材或粉末。

表6-24 高温合金过渡液相扩散连接的工艺参数

过渡液相扩散连接的接头组织主要由Ni-Cr固溶体、γ′强化相组成，可能有硅或硼的化合物相，有时有少量共晶组织。由于接头组织与母材基本一致，使接头力学性能较为理想，高温持久强度性能也较高，见表6-25。

表6-25 高温合金过渡液相扩散连接接头的高温性能

过渡液相扩散连接主要用于焊接沉淀强化高温合金、定向凝固和单晶铸造高温合金以及Ni₃Al化合物基高温合金、氧化物弥散强化高温合金等，如定向凝固和单晶高温合金的航空发动机涡轮叶片、涡轮导向叶片等受力高温部件。