2.5.3 影响固相扩散焊质量的因素
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Al2O3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（Rm）之间存在如下关系：
式中 B0——常数；
Qapp——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Al2O3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Al2O3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Al2O3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Al2O3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 Al2O3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（Rm）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Al2O3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 Al2O3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（τb）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NbSi2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Si3N4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V5Al8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Al2O3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Al2O3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Si3N4陶瓷和用Ni来焊接Al2O3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-Al2O3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/Nb5Si3Cx/Nb2C/Nb；焊接时间2～20h时，接头界面组成为SiC/NbC/Nb5Si3Cx/NbC/Nb2C/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/NbSi2/NbC/NbSi2/NbC/SiC，出现NbSi2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Si3N4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Al2O3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Al2O3
图2-36 用Al作为中间层进行Al2O3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Al2O3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
Si3N4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。