生产和研究领域所需要的各种形状和规格的材料很难一步加工到位，因此必须根据实际情况来进行连接复合。材料之间采用的复合连接技术对复合过程中材料关键性能或行为变化的掌控，将直接影响样品的质量、间接影响物理实验结果的精密性和在物理设计等方面的使用价值。 一般材料的连接方式较多，如焊接、粘接、涂覆、沉积等。其中，焊接方式又分为点焊、钎焊、摩擦焊和扩散焊接等。

扩散焊接与扩散连接含义基本一致，但后者的内涵更加广泛，对于同种金属或者异种金属，制备的接触面间会产生金属键，从而结合在一起。在进行扩散连接时，施加的温度范围一般是0.5~0.8T。通过金属原子的互相扩散，在连接界面产生几十微米厚的互扩散层，从而达到连接目的万2片不。但是，扩散连接在实施的过程中也有一些问题不能忽略。比如，扩散连接需要温度与压力的配合，因此连接件就将受到设备大小的限制，即过大的工件不便于采用扩散焊接。 此外，扩散焊接需要表面紧密接触，并且不能有其他的杂质存在，否则对其形成同性键合不利，连接层的质量也较差，所以对于连接件表面质量要求较高，加工难度很大。

因此，以扩散连接等为代表的一些先进复合技术还存在一系列基础问题及工艺难题有待研究解决。本文通过对扩散连接技术的发展现状进行分析，并对其研究方向进行了展望。 扩散焊接是一种精密的焊接方法，特别适用于异种金属材料、耐热合金和新材料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的焊接。自20世纪80年代人们开始尝试采用非晶箔带合金作中间层，在大气条件下进行钢的瞬时液相扩散焊(以下称TLP)研究，证明在开放环境和较短的工艺时间内即可获得满意的接头抗拉强度和弯曲性能，并以中频感应加热方式实现了工业应用，具有高的焊接效率和质量稳定性，部分替代了手工熔化焊。TLP作为一种新型的焊接技术在近30多年来获得了广泛的应用。TLP技术主要是针对沉淀硬化合金开发的，因为这些合金很难用熔焊方法连接，但是TLP焊接对固溶强化合金同样有效。

因为TLP焊接具有温度低、精度高、残余应力小、接头强度高、没有明显的界面和焊接残留物的特点，所以在新材料(先进陶瓷、复合材料、氧化物弥散强化耐热合金)的制备、连接、修复等方面有很大的潜力。 近年来随着高新技术的发展，对新材料的需求越来越高，在现代材料结构中，不仅需要对大量同种材料进行焊接，有时也需要对异种金属材料进行焊接。一些难熔材料以及异种材料在物理性能、化学性能、元素性质等方面有显著差异，采用常规焊接方式(如焊条电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊、气体保护焊、电渣焊等)相对比较困难。而且采用传统焊接母材局部发生融化，有较大的焊缝和热影响区，容易产生焊接变形和焊接残余应力，影响焊接品质。为降低传统焊接工艺对焊接性能的影响，瞬时液相扩散焊得到了广泛的应用。 

1、扩散技术 扩散连接技术自20世纪60年代以来，国外的专家、学者对其进行了大量的研究及实验，提出了许多先进的理论及思想。我国在该项技术上与国外相比起步较晚、起点低，与国外相比还有着一定得差距。近年来，国内很多学者对其也进行了大量的研究，在TLP连接工艺及理论研究上取的得了长足的进步。 扩散是相互接触的物质由于热运动而发生的相互渗透。扩散系数 Ｄ 对加热时晶体中的缺陷、应力以及变形特别敏感。空穴增加，原子在固体中的扩散加速，Ｄ 与温度成指数关系变化［１］，即： Ｄ ＝ Ｄ０ｅｘｐ［Ｅ／（ＲＴ）］ （１） 式中：Ｄ 为扩散系数，ｃｍ２／ｓ；Ｅ 为扩散过程中的激活能，ｋＪ／ｍｏｌ；Ｒ 为气体常数；Ｄ０为指数前系数；Ｔ 为绝对温度，Ｋ。原子一般从高浓度向低浓度区扩散，对于两个理想接触面的柱体（半无限体），原子的平均扩散距离为［１］：ｘ ＝ （２Ｄｔ）０．５（２）式中：ｘ 为扩散原子的平均扩散距离，ｃｍ；Ｄ 为扩散系数；ｔ为扩散时间，ｓ。由式（２）可以看出，扩散连接时，原子的扩散距离与时间的平方根成正比，因此可以根据需求选择时间。为了接头成分的均匀化，要用较长的扩散时间，如果连接界面间生成脆性的金属间化合物，不利于使用，则要缩短扩散时间。 近几年来扩散连接领域的研究有所变化［４］，出现了所谓薄膜材料连接［５，６］和较多的添加中间层的连接［７－９］，但是其应用范围基本还是一致的。 扩散连接中，同质材料之间的连接占６６％，其中最主要的是 Ｆｅ（４５％）和 Ｔｉ（３７％）；异质材料占３４％，大部分是 Ｃｕ－Ｆｅ（３３％），其次是 Ｆｅ－Ｔｉ（２６％）。而方式方面，主要为直接扩散连接（７２％），而采用液相（２３％）和固相（５％）连接则相对较少［４］。扩散连接技术优势明显，但也有不足，如表１所示［１０］。 

2、材料的扩散焊接 同质或者异质材料进行扩散连接时，接头有图１所示的４种类型［１，５］。图１中，Ａ 和 Ｃ是同质材料的扩散连接，Ｂ 和 Ｄ 是异质材料的扩散连接，与 Ａ 和 Ｂ不同的是，Ｃ 和 Ｄ 连接时施加了中间层。 在材料的扩散连接研究中，分子动力学模拟是一种有用的工具，分析认为表面粗糙度对 Ｃｕ／Ａｌ扩散连接的影响［１１］主要是阻碍原子迁移。扩散连接技术可以用来连接同质或者异质金属［１２，１３］，且大多数扩散连接采用一种熔点较低的金属作为中间层。比如 Ｎｉ为中间层扩散连接 Ｍｏ和 Ｃｕ［８］，以及 Ａｌ和 Ｍｇ［９］。Ｔｉ与Ｆｅ之间可采用 Ａｌ为中间层［７］。此外，Ｃｕ是一种常用的中间层，不仅可以扩散连接异质金属 Ｔｉ与 Ｆｅ、Ｆｅ和 Ａｌ［１４］等，还可以连接同质金属，如 Ｎｉ［１５］。中间层的存在形式和工艺参数会对扩散层的质量造成重要的影响［１６］，不同热处理机制得到的扩散层也会有所区别［１７］。 扩散连接的中间层并不一定只能用异质材料，也可以采用同质材料，比 如 在 连 接 Ｔｉ／Ａｌ时 采 用 Ｔｉ／Ａｌ薄 膜 作 为 夹层［１８］，在本连接工艺中，单就夹层 Ｔｉ／Ａｌ薄膜而言，可以视为是其薄膜层的连接，与大块的体材料连接是有区别的。前述研究虽然采用了中间层，得到的结果也较好，而且并非所有的中间层都只有一种，有的研究者采用 Ａｌ／Ｎｉ多层箔（Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ　ｆｏｉｌｓ）扩散连接 Ｔｉ和 Ａｌ［１９］，还有的研究者在连接 Ｔｉ和Ｆｅ时，采用的中间层就有 Ｎｂ、Ｃｕ和 Ｎｉ［２０］，这被称为是复合中间层（Ｍｕｌｔｉ－ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）。扩散连接时间过长会减弱前述的 Ｎｉ原子的聚合，因此应保证合适的时间［１９］。 除了时间因素外，在连接工艺中，压力也是一种重要的工艺参数，不同的压力，甚至是加压方式都会影响到接头的质量，比如脉冲加压方式可能会降低有害成分的出现概率，从而使得扩散层的强度和延展性提高。温度是第三种重要的工艺参数，温度具有梯度时，扩散层的成分也会有一定的梯度值，这对固化过程和最终形成的扩散层都是不利的。参数经过优化后，将得到较好的扩散层。 扩散连接技术对同质或者异质材料的连接有着巨大优势，可以 连 接 几 乎 所 有 的 化 学 和 力 学 性 能 迥 异 的 材料。当然，该工艺也依赖于不同的工艺参数，比如温度、压力和扩散时间等，这些参数是对连接的材料之间形成连接层的保障。相对于传统的焊接，这种技术有着极大的优势，不仅克服了传统工艺出现不需要相的缺点，还可以通过控制参数，在扩散层制造希望出现的有益的合金相，并且可避免裂纹、变形及断裂等缺陷的出现。 国内对多种材料的热扩散也进行了研究，取得了较好的成果［１０，３３－３５］。如李晓慧实验证实 Ｇｄ和 Ｃｕ以及 Ｇｄ和 Ａｌ两种性能差异很大的材料之间 的 扩 散 连 接，且 界 面 间 结 合 紧密，无缝隙［１０］。刘鹏研究了固相扩散焊 Ｍｇ／Ａｌ，分析了其接头组织结构与性能的关系［３４］。通过对 Ｍｇ／Ａｌ扩散焊界面微观组织结构和界面附近元素的扩散行为进行分析，寻求界面过渡区的形成与元素扩散之间的规律。罗龙研究了 Ｃｕ／Ａｌ热轧扩散复合界面原子扩散的分子动力学，认为 Ｃｕ／Ａｌ在较低温度复合过程中界面原子之间没有明显扩散，而在 ８００Ｋ 时，会有Ｃｕ向 Ａｌ原子层扩散，而少量的 Ａｌ也会扩散到 Ｃｕ原子层［３４］。其研究初步掌握了原子间的扩散规律，但是忽略了时间因素。

3、几种具体的异种材料扩散焊 

3.1Ａｌ／Ｃｕ薄膜材料的扩散连接 

近年来对 Ａｌ／Ｃｕ薄膜扩散连接的研究也较热门。在该过程中，形成了 Ａｌ４Ｃｕ９、ＡｌＣｕ和 Ａｌ２Ｃｕ［３６］。 Ａｎａｔｏｌｉｉ　Ｕｓｔｉｎｏｖ等［３７］研究了通过 Ａｌ／Ｃｕ多层箔强化的铝合金的扩散焊接技术，其研究中 Ａｌ／Ｃｕ箔作为中间层，在加热时，薄膜区发生了相变。刘卫红等［３５］系统地研究 Ａｌ和Ｃｕ的复合中间层、Ａｌ－Ｃｕ合金涂层组成对接头显微结构和力学性能的影响规律，优化中间层形式，是提高接头力学性能的重要途径。 等离子活化烧结方法也实现了 Ｃｕ箔和 Ａｌ箔的固相扩散结合［６］。界面金属间化合物生成过程主要包括物理接触、形核、沿界面相连和层连续增厚４ 个阶段，各层生长速率常数与反应温度之间满足 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ关系。当然，常规的真空扩散工艺也可以实现 Ａｌ／Ｃｕ薄膜的扩散连接［５］，只是这些研究较多的仅是针对连接的温度、压力、时间等工艺参数，而连接材料的表面状态、保护方法、母材及中间层的冶金、物理性能，包括扩散层的演变等规律及其物相、几何参数、结构等还缺乏系统的研究和认识。 

3.2 Fe3Al/Q235异种材料扩散焊 

扩散连接工艺参数直接影响接头的界面结构及应力分布,从而影响接头的使用性能。母材冶金物理性能、焊件表面状态、加热温度、压力、扩散时间等都是影响扩散焊接过程及接头质量的主要因素。 Fe,Al在扩散焊接加热过程中会产生一系列物理的、化学的、力学的和冶金方面的变化,而这些变化都直接或间接地影响到扩散焊接过程及接头质量,因而温度是这一工艺的关键因素。温度越高,金属原子扩散所具有的能量越高,从而界面间原子相互扩散越充分,接头结合强度越高。但是由于Fe,Al冶金物理特性方面的限制,加热温度过高,母材晶粒长大、中间金属间化合物不断加厚,使接头强度降低。压力愈大、温度愈高,界面处紧密接触的面积也愈多,压力小产生界面孔洞,阻碍晶粒生长和原子穿越界面的扩散迁移。 由于铁、铝原子具有不同的扩散速度,造成了通过界面向其两侧扩散迁移的原子数量不等,产生Kirkendall效应即扩散空洞。同时,受两种材料物理性能的影响,压力不能太大。保温时间决定着Fe3Al金属间化合物与Q235碳钢中Al,Fe原子扩散的均匀化程度,保温时间越长,原子可以进行均匀充分的扩散,而使接头强度增加,时间太短,原子来不及进行充分扩散,无法形成高强度的接头。但是,保温时间过长会使过渡层区晶粒长大,金属间化合物增厚,致使接头强度下降。因此,通过试验验证,最佳的真空扩散焊工艺参数为最高加热温度T=1 080℃ ;焊接压力P= 9.8 MPa,保温时间t= 60 min,这样可避免或减少界面扩散空洞的产生。图1为Fe3Al/Q235扩散焊过程的工艺参数示意图。 

3.3 钛合金与陶瓷扩散焊 

陶瓷具有耐热、抗震、热膨胀系数低、绝缘性优良等特点，被广泛用于仪器制造、航空航天、化学工业、生物医药等领域，但陶瓷的许多应用，要求其与自身或金属材料等连接制备成复杂结构件［10］。实现钛合金与陶瓷材料的连接，不但可以充分发挥两者的性能优势，同时进一步扩大了钛合金的应用空间。目前钛合金与陶瓷的连接技术有粘结、钎焊、扩散焊、超声焊接等［11 － 14］。 近年来在钛合金基体上激光熔覆及微弧氧化陶瓷等新方法也成为研究热点。扩散连接( TPL) 作为一种固相连接，可以在较低温度下实现两者的连接。但钛合金/陶瓷反应层的类型与连接温度、时间和保护气体有关。例如使用保护气体( 氮气、氩气) 对 Si3N4陶瓷和钛合金进行高温扩散连接，接头界面的反应产物随反应参数( 反应时间、温度和保护气体种类) 变化，不同参数下复合构件最终的性能出现明显差异［15］。在Si O2陶瓷和 TC4 钛合金钎焊时，采用活性钎料Ag Cu Ti。母材接头界面由 Si O2/ Ti Si2+ Ti4O7/ Ti Cu+ Cu2Ti4O / Ag 基 固 溶 体 + Cu 基 固 溶 体 / Ti Cu /Ti2Cu / Ti + Ti2Cu / TC4 组成，其抗拉强度可以达到27 MPa［16］ 

4、未来展望 材料的扩散连接技术已较成熟，只是在实际应用中还存在一些问题，特别是对于一些极限材料如微纳米薄膜、细丝等还有技术壁垒。开展金属材料间扩散连接技术的研究，有助于掌握其复合过程中关键特性的变化规律，实现样品工艺调控，对物理实验精密化有重要意义，也可实现多种金属在电子、电力、电器和机械化工等领域的应用。与钎焊、粘 胶剂焊和摩擦焊接不同，扩散连接法对外部力量和本身材料的依赖性较弱，具有连接界面平整、密闭性好和强度高等优点，因而特别适于微小零部件的精密连接。然而，虽然其优势明显，也有一定的技术难度，如物相变化规律、变化区间几何尺寸的精确把握以及结果的掌控等，这也是未来扩散连接技术主要的研究方向。 20世纪80年代，日本住友金属公司的小沟欲等人成功将TLP技术应用于输气输水、民用管道等，也因此在1991年获得了日本溶解学会的“田中龟久人”。1998年，三菱重工成功利用TLP技术进行锅炉设备中异种管道的焊接，部分替代了手工填丝焊网。2000年以后，随着TLP技术的发展，更多难焊材料的试验成功，使得TLP技术在航空航天、汽车制造、微电子方面有了广阔的应用。比如，日本和德国已经利用TLP技术用于汽车零部件的生产。在美国和俄罗斯将TLP技术应用于航空航天。其中未来空间站或太空实验室的真空环境是发展扩散焊的重要场所。俄国液体火箭发动机上大量零部件之间的连接采用了扩散焊技术，并且焊接接头强度能够满足技术指标。随着扩散焊接技术越来越成熟，焊接技术水平的发展以及焊接设备的多功能化，应用范围也越来越宽广，应用价值也越来越高。 在国外，扩散焊接技术作为一种比较成熟的技术，以其特有的优势已经广泛应用于航空、航天、核能以及其他技术领域。发展中的纤维增强复合材料，将依赖它作为重要连接手段，未来的空间站或太空实验室的真空环境，是发展和应用扩散焊接的重要场所。King和Owczarski用钛研究了扩散焊接的不同参数，并提出了两个固体表面聚结的推理，该项研究已经用在与美国国家航空和宇宙航行局的马歇尔空间飞行中心制备不同宇航构件有关的探索性工作中。俄罗斯在其液体火箭发动机上大量零组件之间的连接采用了扩散焊接技术，在其成熟型号PⅡ-120液体火箭发动机上的燃气发生器、推力室等复合组件中均采用了扩散焊接技术，其焊缝强度均能满足技术指标的要求。 在我国，扩散焊接技术在航天产品上也有一定的应用，如:燃烧室头部喷注器的扩散焊接和电磁活门扼铁端面与黄铜片的扩散焊接。经扩散焊接后的焊接接头抗拉强度可达到与母材相当的强度或达到母材强度的90%;耐压气密性优良，焊接前后产品变形量在千分之一以内，磁性能没有变化。我国新研制的液氧/煤油液体火箭发动机上也应用了扩散焊接技术。西安航天发动机厂曾对液氧/煤油火箭发动 机上富氧燃气发生器S- 03不锈钢(该钢是为满足液氧/煤油火箭发动机需要研制的一种新型马氏体不锈钢种)与QCr 0.8铬青铜焊接工艺进行了深入的研究、获得了宝贵的数据和经验。 TLP除了在航天航空上具有广泛的发展前景以外，在管道焊接方面也具有很大的发展潜力。管道液相扩散焊技术综合了固相扩散焊和高温钎焊的技术优点，具有快速、高效和节能环保的特点，由于它可以替代手工电弧熔化焊，并可获得优良的接头组织和机械性能，近年来被国内外工程界、制造业和学术界广泛关注。山东电力研究院经过两年的艰苦攻关，设计并制造了我国第一台管道液相扩散焊机，并在核心工艺和中间层非晶合金方面取得了重要突破，具有生产实用性。它可广泛用于钢铁、石油、电力等行业，具有良好的市场前景。另外，被的扩散焊己经成功地应用于核反应堆的建造中。在大气条件下惰性气体保护的TLP扩散焊，不使用真空炉，节约了设备投资，也适合在野外施工的场合，具有很高的工程价值。同时，扩散焊与超塑性加工的结合工艺使扩散焊的应用得到了扩展。 从目前研究情况来看，扩散焊在各个领域的应用研究已经全面展开，新材料新工艺的研究越来越多，在一些焊接场合部分取代了传统焊接，但是在实际应用还很欠缺，特别是设备开发的成本高、应用环境的局限性，导致扩散焊的推广受到限制。随着扩散焊技术的成熟，设备的开发，理论研究的完善，TLP焊接的推广将会有很好的前景。