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扩散焊接是焊接陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷的常用和重要的方法之一，可以直接焊接，也可以采用中间层进行焊接。其主要的接头形式有：陶瓷与陶瓷的直接焊接；金属与陶瓷的直接焊接；用中间层焊接陶瓷与陶瓷；用中间层焊接金属与陶瓷。
与熔化焊相比，陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间固相扩散焊接的主要优点是：强度高；变形小；尺寸易于控制。其主要缺点是：需要较高的温度：较长的时间；通常需要在真空中进行；设备昂贵；成本高；尺寸受限制。
固相扩散焊接的过程包括：塑性变形、扩散（包括表面扩散、体扩散、晶界扩散、两工件界面扩散）、蠕变、再结晶和晶粒长大等。影响固相扩散焊接质量的因素有：焊接温度、焊接时间、焊接压力、环境因素、工件的表面状态、两工件间的化学和物理性能等。
由于陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀及特殊的电化学性能，故其近年来得到了飞快的发展，特别是一些具有特殊性能的工程陶瓷，已经在生产中得到应用。但是，常常遇到把陶瓷本身或与其他材料连接在一起的问题。近年来，陶瓷材料连接技术已经成为国际焊接界研究的热门课题。采用中间层是解决陶瓷材料焊接问题的有效方法。
1.陶瓷材料焊接中的中间层
（1）陶瓷材料焊接中中间层的作用
1）改善焊接性。在扩散连接（或钎焊）过程中，很多熔化的金属在陶瓷表面不能润湿。因此，在陶瓷连接过程中，往往在陶瓷表面用物理或化学的方法涂上一层金属，这也称为陶瓷表面的金属化，而后再进行陶瓷与其他金属的连接。实际上就把陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他金属的连接变成了金属之间的连接，这也是过去常用来连接陶瓷的方法。但是，这种方法有一点不足，即接头的结合强度不太高，主要用于密封的焊缝。对于结构陶瓷，如果连接界面要承受较高的应力，扩散连接时必须选择一些活性金属作为中间层，或让中间层材料中含有一些活性元素，以改善和促进金属在陶瓷表面的润湿过程。
2）降低内应力。金属与陶瓷材料连接时，由于陶瓷与金属线胀系数不同，在扩散连接或使用过程中，加热和冷却必然产生热应力，容易在接头处由于残余内应力的作用而破坏。因此，常加入中间层缓和这种内应力，通过韧性好的中间层变形吸收这种内应力。选择连接材料时，应当使两种连接材料的线胀系数差小于10%。
（2）陶瓷材料连接中间层的选择 有以下几个原则：
1）用活性材料或这种材料生成的能与陶瓷进行反应的物质，改善润湿和结合情况。
2）用塑性较好的金属做中间层，以缓解接头内应力。
3）通过在冷却过程中发生相变，使中间层体积膨胀或缩小，来缓和接头的内应力。
4）用作中间层或连接的材料必须有良好的真空密封性，在很薄的情况下也不能泄漏。
5）必须有较好的加工性能。
实际上很难找到完全满足上述要求的材料，有时为了满足综合性能的要求，可采用两层或三层不同金属组合的中间过渡层。
常用的中间层合金材料有不锈钢（1Cr18Ni9Ti）、可伐合金等，用作中间层的纯金属主要有铜、镍、钽、钴、钛、锆、钼及钨等。
2.陶瓷材料焊接中中间层的应用
（1）用活性金属做中间层的连接 这种方法的原理是活性金属在高温下与陶瓷材料中的结晶相发生化学反应，生成新的氧化物、碳化物或氮化物，使陶瓷与反应生成物层形成可靠的结合，最后形成材料间的可靠连接。
常用的活性金属主要有铝、钛、锆、铌及铪等，这些都是很强的氧化物、碳化物及氮化物形成元素，它们可以与氧化物、碳化物、氮化物陶瓷反应，从而改善金属对连接界面的润湿、扩散和连接性能。活性金属与陶瓷相的典型反应如下：
Si 3 N 4 +4Al═══3Si+4AlN
Si 3 N 4 +4Ti═══3Si+4TiN
3SiC+4Al═══3Si+Al 4 C 3
4SiC+3Ti═══4Si+Ti 3 C 4
3SiO 2 +4Al═══Al 2 O 3 +3Si
Al 2 O 3 +4Al═══3Al 2 O
Si 3 N 4 +4Zr═══3Si+4ZrN
以这种反应为基础，可以用活性金属做中间层连接陶瓷。表2-31列出了一些金属与陶瓷连接的试验结果。钛、锆金属也可以与其他陶瓷很好地结合。
表2-31 一些金属与陶瓷连接的试验结果
注： p =10 -6 ～10 -5 Pa，高真空。○ 表示可以结合，● 表示结合有裂纹，◎ 表示少量结合，◇ 表示微量结合，◆ 表示不结合。
用钛箔做中间层连接Y 2 O 3 3%（质量分数）-ZrO 2 陶瓷和碳素钢的接头性能与结合条件的关系如图2-20所示。弯曲破坏发生在ZrO 2 与钛的界面。
用铝做中间层连接陶瓷，不同扩散焊接温度条件下，接头的界面结构和抗弯强度与试验温度的关系如图2-21所示。由图中可以看出，低温连接时，由于在接头界面残留有铝，因此接头的抗弯强度随着温度的升高而急剧下降，经过1970K处理的接头抗弯强度随着试验温度的升高而增加（见图2-21b），这是由于残留的铝更加致密，而使AlN与AlSi聚合带更加致密。
图2-20 用钛箔连接陶瓷和碳素钢的接头性能与结合条件的关系
用活性金属做中间层，活性金属与陶瓷进行化学反应而形成连接带，通过连接带连接陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属。
（2）用氧化物组成复合盐作为中间层 这种连接形式是通过在金属表面生成一定的氧化物，而后在一定温度下，使带有氧化物的连接表面与陶瓷连接，造成金属表面氧化物与陶瓷中的氧化物发生共晶反应，组成新的复合盐，从而达到连接的目的。
在用铜做中间层连接陶瓷与石英玻璃时，就有这种反应。如用铜做中间层连接Al 2 O 3 ，焊前通过氧化铜变成低价的氧化亚铜，而后与Al 2 O 3 反应生成CuAl 2 O 4 。
Cu 2 O与基体结合较好，同时它的线胀系数与石英玻璃相近。因此，也可以用这种方法连接石英玻璃。
这种方法的加工工艺是在真空中把铜加热到950℃，保温3min，而后冷却。当温度降至300～400℃之间时通入空气，在铜的表面生成玫瑰色的致密氧化膜。为了避免Cu 2 O在真空中分解升华，扩散连接应在1.7×10 -2 ～1.3×10 -1 Pa较低的真空度下进行，生成的CuAl 2 O 4 可以连接铜和Al 2 O 3 ，但铜表面的氧化膜不能太厚，氧化膜的厚度应控制在3～10μm。图2-22及图2-23给出了铜与Al 2 O 3 连接时，铜表面氧化膜厚度与接头抗拉强度和断裂韧度的关系。
由图2-22和图2-23可以看出，铜表面的氧化膜厚度必须控制在适当的范围。当铜表面的Cu 2 O膜太薄时，由于生成共晶太少，不足以改善对Al 2 O 3 表面的润湿性，连接不良；而当Cu 2 O膜太厚时，则由于生成的CuAl 2 O 4 太厚太脆，使接头性能变差。
（3）用复合中间层的扩散焊 可以用线胀系数相近的材料作为中间层，或从接头结构设计、连接工艺中想办法加以解决，以得到满足工程要求的优质接头。其中一个有效的方法就是用复合中间层来保证接头性能。
在Al 2 O 3 与黄铜之间加入钼、金属陶瓷、钛及铌做中间层，用有限元计算，温度在700～725℃之间。由于材料线胀系数的差异，在接头处产生的内应力大小与中间层厚度的关系如图2-24所示。表2-32给出了几种物质的线胀系数。
图2-21 接头的界面结构和抗弯强度与试验温度的关系
图2-22 用铜连接Al 2 O 3 接头Cu 2 O膜厚度与接头抗拉强度的关系（ T =1070K， t =2min）
图2-23 用铜连接Al 2 O 3 接头Cu 2 O膜厚度与接头断裂韧度的关系
A —缺口开在铜箔上 B —缺口开在界面
由图2-24及表2-32中的数据可以看出：由于Al 2 O 3 与Nb的线胀系数相同，因此用Nb做中间层接头内应力最小。但用Nb做中间层与钢连接时，Nb可以与钢中的碳形成脆性的碳化物（NbC），使接头性能变差。因此，又加入Mo来防止Nb与钢的直接作用，则形成Al 2 O 3 /Nb/Mo/钢接头。钼层的厚度也直接影响接头内应力的大小，钼层厚度对该接头内应力的影响如图2-25所示。
表2-32 几种物质的线胀系数
当然也可以用Ti代替Nb进行Al 2 O 3 与SiO 2 陶瓷和不锈钢的连接，再加Ni做复合中间层也得到类似的结果。
图2-24 Al 2 O 3 与黄铜接头处内应力与中间层厚度的关系
图2-25 钼层厚度对Al 2 O 3 /Nb/Mo/钢接头内应力的影响
金属与陶瓷真空扩散焊焊接接头的界面反应是实现其牢固连接的先决条件，而这种界面反应生成物种类及厚度受到接触面处各元素的性能、焊接温度、保温时间、元素的扩散的影响，又是影响接头性能的重要因素。
1.SiC陶瓷与金属Nb的界面反应
图2-26给出了SiC/Nb/SiC陶瓷与金属在1517℃温度下真空扩散焊时，不同保温时间下结合界面组织结构示意图，两边的反应生成物是等效的，只不过位置相反而已。可以看到，在靠近SiC陶瓷的界面上生成Nb 5 Si 3 C x 相，而在靠近金属Nb的界面上，则生成Nb 2 C相。随着保温时间的延长，Nb 5 Si 3 C x 相增厚迅速，而Nb 2 C相增厚缓慢，这是受C的扩散控制的缘故，因为C通过Nb 5 Si 3 C x 相才能生成Nb 2 C相。分析发现，在SiC/Nb 5 Si 3 C x 和Nb 5 Si 3 C x /Nb 2 C的界面上还存在着块状的NbC。如果金属Nb很薄，作为过渡层，则随保温时间的延长金属Nb将消失，会产生高Si含量的NbSi 2 相，形成SiC/NbC/NbSi 2 /NbC/NbSi 2 /NbC/SiC的层状结构。
图2-26 SiC/Nb/SiC真空扩散焊结合界面组织结构示意图（1517℃）
当然也可以用钛代替铌进行Al 2 O 3 与SiO 2 陶瓷和不锈钢的连接，再加镍做复合中间层也得到类似的结果。
图2-27给出了反应相的生成规律，其反应生成相的厚度由下式给出：
式中 x ——反应生成相的厚度（m）；
k ——反应生成相的成长速度（m 2 /s）；
k 0 ——反应生成相的成长常数（m 2 /s）；
Q ——反应生成相的成长激活能（kJ/mol）；
t ——保温时间（s）；
T ——加热温度（℃）；
R ——气体常数（=8.314J/K·mol）。
图2-27 反应相的生成规律
其结果为
Nb 5 Si 3 C x 相： x 2 =1.57×10 -5 exp［-535×10 3 /（ RT ）］
Nb 2 C相： x 2 =1.91×10 -4 exp［-382×10 3 /（ RT ）］
SiC/Nb系： x 2 =1.48×10 -5 exp［-359×10 3 /（ RT ）］
因此，容易形成Nb 5 Si 3 C x 相。
2.界面反应产物对接头强度的影响
界面反应产物的性能、厚度等都会对接头强度产生极其重要的影响。如当NbC薄层在SiC侧形成而尚未出现NbSi 2 相时，抗剪强度最高，可达187MPa。
1.焊接温度的影响
焊接温度是固相扩散焊接的重要参数，一般来说，焊接温度应达到金属或陶瓷熔点（热力学温度K）的60%以上。固相扩散焊接时，通常将发生化学反应，反应层的厚度对接头强度有十分重要的影响。
例如：用0.5mm的Al作为中间层来固相扩散焊接钢和Al 2 O 3 陶瓷时，反应层的厚度与焊接温度之间的关系如图2-28所示。
焊接温度对接头抗拉强度的影响也有相同的趋势，研究表明焊接温度与接头抗拉强度（ R m ）之间存在如下关系：
式中 B 0 ——常数；
Q app ——表观激活能，可以是各种激活能的总和。
例如：用0.5mm的Al作为中间层来固相扩散焊接钢和Al 2 O 3 陶瓷时，接头抗拉强度与焊接温度之间的关系如图2-29所示。
应当指出，图2-28和图2-29给出的资料还是有限的，它是在反应层厚度不太大的范围内。事实上，当焊接温度超过某一个温度后，由于高温下界面反应的加剧，反应层厚度增大。由于反应产物一般为脆性物质，因此，反应层厚度太大，接头强度反而下降。这个事实，已经为很多研究结果所证实。
图2-28 固相扩散焊接钢和Al 2 O 3 陶瓷时反应层的厚度与焊接温度之间的关系
图2-29 固相扩散焊接钢和Al 2 O 3 陶瓷时接头抗拉强度与焊接温度之间的关系
但是，焊接温度的升高是有限的，焊接温度的升高，会引起残余应力的增大以及陶瓷性能的改变。一般来说，焊接温度不应高于金属或陶瓷的熔点，而是存在一个最佳焊接温度。图2-30给出了Al 2 O 3 陶瓷与金属固相扩散焊接接头抗拉强度与金属熔点之间的关系。
图2-30 Al 2 O 3 陶瓷与金属固相扩散焊接接头抗拉强度与金属熔点之间的关系
2.焊接时间的影响
焊接时间（ t ）也同样影响到反应层的厚度（ X ），图2-31给出了SiC陶瓷与Nb固相扩散焊接时反应层的厚度与焊接时间之间的关系。同样，固相扩散焊接时焊接时间对接头抗拉强度的影响也有相同的趋势，研究表明焊接时间与接头抗拉强度（ R m ）之间存在如下关系：
在一定的温度下，焊接时间对接头抗拉强度的影响存在一个最佳值。图2-32给出了Al 2 O 3 陶瓷与金属Al进行固相扩散焊接时焊接时间对接头抗拉强度的影响。
图2-31 SiC陶瓷与Nb固相扩散焊接时反应层的 厚度与焊接时间之间的关系
图2-32 Al 2 O 3 陶瓷与金属Al进行固相扩散焊接时焊接时间对接头抗拉强度的影响
在以Nb为中间层进行SiC陶瓷-SUS304不锈钢的固相扩散焊接时，焊接时间对接头抗剪强度（ τ b ）的影响也存在一个最佳值，如图2-33所示。焊接时间太长，会产生线胀系数与SiC陶瓷相差很大的NbSi 2 相，因而接头抗剪强度降低。当用Al作为中间层来固相扩散焊接Si 3 N 4 陶瓷和因瓦接头及用V作为中间层来固相扩散焊接AlN时，焊接时间太长，而且产生了V 5 Al 8 脆性相，因而接头抗剪强度降低。
图2-33 SiC陶瓷-SUS304不锈钢的固相扩散焊接时焊接时间对接头抗剪强度的影响
3.压力的影响
固相扩散焊接时，施加压力是为了使工件产生塑性变形，减小表面不平整和破坏表面氧化膜，增加表面接触，为扩散创造条件。用Cu或Ag来焊接Al 2 O 3 陶瓷、用Al来焊接SiC陶瓷时，施加压力对接头抗剪强度的影响如图2-34所示。用贵金属（如Au、Pt）来焊接Al 2 O 3 陶瓷时，金属表面的氧化膜非常薄，随着压力的升高，抗弯强度可以提高到一个稳定值，如图2-35所示。有时也存在一个最佳接头抗弯强度值，如用Al来固相扩散焊接Si 3 N 4 陶瓷和用Ni来焊接Al 2 O 3 陶瓷，其最佳压力分别为4MPa和15～20MPa。可见压力的影响还与材料的类型、厚度及表面状态有关。
图2-34 压力对接头抗剪强度的影响
图2-35 Pt-Al 2 O 3 陶瓷固相扩散焊接时施加压力对接头抗弯强度的影响
4.固相扩散焊接时化学反应的影响
（1）界面反应形成的化合物 在用金属中间层进行陶瓷与陶瓷或金属与陶瓷固相扩散焊接时，会发生各种化学反应，形成不同的化合物，表2-33给出了几个例子。
表2-33 各种固相扩散焊接组合中可能出现的化合物
焊接条件不同，反应产物不同，接头性能也不同。如1517℃下用金属Nb做中间层固相扩散焊接SiC陶瓷，焊接时间2h时，接头界面组成为SiC/Nb 5 Si 3 C x /Nb 2 C/Nb；焊接时间2～20h时，接头界面组成为SiC/NbC/Nb 5 Si 3 C x /NbC/Nb 2 C/Nb；焊接时间超过20h后，接头中的Nb消失，接头界面组成为SiC/NbC/NbSi 2 /NbC/NbSi 2 /NbC/SiC，出现NbSi 2 后，接头强度降低。
（2）焊接环境气氛的影响 一般情况下，在真空中固相扩散焊接的接头强度比在氩气和空气中的高。用Al做中间层固相扩散焊接Si 3 N 4 时，其接头强度依下列顺序降低：氩气，氦气，空气。
5.线胀系数的影响
在弹性范围内因线胀系数不匹配时，两材料之间将产生残余应力。焊接温度与室温之差和线胀系数之差越大，残余应力也越大。陶瓷与金属焊接时，陶瓷的线胀系数较小，因此，一般来说，陶瓷受压，金属受拉。若再用塑性中间层，则使接头中的残余应力更加复杂。图2-36给出了用Al作为中间层进行Al 2 O 3 陶瓷与金属焊接时，线胀系数的不匹配对抗拉强度的影响。因此，选用线胀系数与陶瓷相差较小的金属，就可以降低接头的残余应力。
6.中间层材料的影响
固相扩散焊接使用中间层是为了降低焊接温度、减少焊接时间和降低焊接压力，以及促进扩散和去除杂质，同时也可以降低残余应力。图2-37给出了中间层材料及其厚度对Al 2 O 3
图2-36 用Al作为中间层进行Al 2 O 3 陶瓷与金属焊接时线胀系数的不匹配对抗拉强度的影响（BS316为英国316不锈钢）
图2-37 中间层材料及其厚度对Al 2 O 3 陶瓷与AISI405固相扩散焊接接头残余应力的影响
陶瓷与铁素体不锈钢（AISI405）固相扩散焊接接头残余应力的影响。但是，正如前面所述，中间层材料将使接头中的残余应力更加复杂。
7.表面状态的影响
表面状态对固相扩散焊接接头强度有十分重要的影响，表面粗糙将使接头强度降低。
8.焊后退火的影响
Si 3 N 4 陶瓷在加热1500℃、加压21MPa、保温60min的情况下，在1MPa的氮气中进行直接固相扩散焊接时，界面不会完全消失。但是，焊后经过1750℃保温60min的退火处理后，可显著改善界面组织，提高接头强度，使接头的室温抗弯强度从380MPa提高到1000MPa左右，达到陶瓷母材的强度。
Al 2 O 3 、SiC、Si 3 N 4 以及硬质合金WC（可看作碳化物陶瓷）开发较早，发展比较成熟。其他陶瓷发展较晚，其焊接的研究和应用尚在进行中。各种陶瓷材料之间及陶瓷材料与金属之间组合进行固相扩散焊的焊接参数及接头性能在表2-34中给出。关于陶瓷接头的力学性能试验，只有强度试验，可用（四点或三点）弯曲试验或者剪切及拉伸试验。一般来说，陶瓷材料为脆性材料，塑性和韧性很低，测定比较困难，因而，一般也只测定强度。
陶瓷的硬度和强度都比较高，不易发生变形，所以陶瓷的焊接除了要求其表面非常平整和清洁外，扩散焊的压力也很大、温度也较高（为金属或陶瓷熔点的50%～90%）、保温时间也较长（但不可过长，以免引起陶瓷产生裂纹）。
表2-34 不同陶瓷材料组合时固相扩散焊的焊接参数及接头性能
（续）
注：强度数值后括号内的字母A—四点弯曲；B—三点弯曲；T—拉伸；S—剪切。
陶瓷与金属直接用固相扩散焊有困难时，可以用中间过渡层的方法，而且，有了中间过渡层，还可以利用其焊接加热产生的塑性变形来降低陶瓷表面的加工精度。例如，在陶瓷与Fe-Ni-Co合金之间加入20μm的铜箔作为中间过渡层，采用压力15MPa，保温10min，在温度1050℃工艺条件下，可达到抗拉强度为72MPa的扩散焊接头。这种中间过渡层，可以直接使用金属箔片，也可以用前面介绍过的真空蒸气法、离子溅射、化学气相沉积（CVD）、喷涂、电镀、烧结金属粉末法、活性金属法、金属粉末或钎料等作为中间过渡层进行扩散焊。扩散焊不仅用于陶瓷与陶瓷及陶瓷与金属的焊接，也可以用于微晶玻璃、半导体陶瓷、石英、石墨等与金属的焊接。表2-35给出了各种陶瓷与金属利用或者不利用中间过渡层进行扩散焊的工艺参数。表2-36给出了无氧铜与Al 2 O 3 陶瓷在氢气气氛中固相扩散焊的焊接参数。表2-37给出了Fe-Ni合金与α-Al 2 O 3 蓝宝石固相扩散焊的焊接参数，表2-38给出了铜与硫化锌陶瓷固相扩散焊的焊接参数。表2-39给出了一些陶瓷与金属进行直接扩散焊的主要参数，表2-40给出了一些陶瓷扩散焊接参数和接头强度。
表2-35 各种陶瓷与金属利用或者不利用中间过渡层进行扩散焊的工艺参数
（续）
表2-36 无氧铜与Al 2 O 3 陶瓷在氢气气氛中固相扩散焊的焊接参数
表2-37 Fe-Ni合金与 α -Al 2 O 3 蓝宝石固相扩散焊的焊接参数
表2-38 铜与硫化锌陶瓷固相扩散焊的焊接参数
表2-39 一些陶瓷与金属进行直接扩散焊的主要参数
表2-40 一些陶瓷扩散焊接参数和接头强度
（续）
