本文主要研究工作及創新點在于采用了真空擴散焊接工藝，不加任何中間過渡層的方法，實現了AISI304不銹鋼和低碳鋼的可靠連接。該方法的優越性在于焊接過程不出現液相組織，不會造成對基體的浸蝕和剝落，實現異種材料之間的物理連接，并通過實驗測得擴散焊接頭的強度、韌性和抗疲勞性能均超過了低碳鋼母材。同時，本工作獲得了304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接頭的組織和機械性能與焊接工藝參數之間的變化關系、界面元素擴散特征、界面反應生成物對擴散焊接頭性能的影響等內容。以期對304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接技術的應用提供理論指導。

通過理論和實驗研究，得出了以下主要結論：

（1）提出一種新的304不銹鋼和低碳鋼異種材料焊接方法，即無過渡層固相真空擴散焊接技術。無過渡層固相真空擴散焊方法可以實現304不銹鋼/低碳鋼的牢固連接，連接的可靠性通過擴散界面兩側異種組織晶粒晶界連通的特殊結構保證。304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接的本質是在高溫和壓力作用下，界面通過塑性變形和元素擴散，使原子點陣重新排列成新的穩態結構。

（2）建立了304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接技術規范的框架。揭示了焊接溫度和焊接時間是影響304不銹鋼/低碳鋼異種材料擴散焊接頭組織和性能的主要因素。焊接溫度低于800℃或高于900℃時，擴散焊接頭中均有脆性相偏析（碳化物、金屬間化合物），導致接頭的塑性和韌性下降。焊接壓力10MPa、焊接溫度850℃、焊接時間60min是304不銹鋼/低碳鋼擴散焊最佳工藝規范，在此規范下獲得的擴散接頭抗拉強度達到441MPa，室溫沖擊韌性達到138.8J/cm2，，疲勞強度達到178.2MPa。擴散焊接頭的各項力學性能指標均超過低碳鋼母材。

（3）揭示了304不銹鋼和低碳鋼擴散焊界面化學反應機制。擴散焊界面化學反應生成化合物主要有Crz3C6和FeCr兩種。界面反應產物偏析是導致界面強韌性下降的主要原因。而且偏析相引起的斷裂破壞和它的數量和尺寸有關，數量多且尺寸大到一定程度會引起脆性斷裂，數量少且尺寸小則引起塑性斷裂。當少量的小尺寸化合物粒子彌散分布在擴散焊接頭中時，可起到強化接頭的作用。

（4）建立了304不銹鋼和低碳鋼擴散焊界面的擴散機制理論模型。通過模擬計算和試驗檢測方法，對不同工藝條件下的304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接頭中元素分布情況展開研究，揭示了擴散焊界面附近元素擴散分布特征與工藝參數變化的內在聯系，并且發現了某些元素的分布變化對擴散焊接頭性能的影響。

擴散焊界面區域發生互擴散的元素以Fe、Cr、Ni、C為主。焊接溫度是影響元素擴散速度的主要參數。元素擴散系數D與焊接溫度T呈指數關系，焊接溫度越高則元素擴散越快。隨著焊接溫度升高和焊接時間延長，元素擴散數量和擴散距離都有所增加。C和Cr是擴散焊接頭的強化元素，C和Cr的過度擴散會促進接頭中碳化物和金屬間化合物的偏析，導致接頭耐腐蝕性能和力學性能下降。通過選擇適當的焊接溫度和焊接時間可以控制C和Cr在接頭中的分布濃度，提升元素對基體的強化效果。

（5）采用分子動力學模擬計算，獲得了304不銹鋼和低碳鋼擴散焊接頭中主要擴散元素濃度場函數曲線，為304不銹鋼和低碳鋼擴散焊結構在工程應用上提供理論依據，實際工程應用中可據此函數曲線調整焊接溫度或焊接時間得到符合工程質量要求的擴散焊接頭

展望

隨著核能、風電、水電等清潔能源行業的飛速發展，不銹鋼和碳鋼的復合結構以及不銹鋼與碳鋼+其它合金材料的多層復合結構逐步朝向大型化、高強度、高致密性等方向發展。擴散焊接技術以其獨有的特點（接頭連接面積大、強韌性好、致密度高等）在上述領域的應用具有廣闊的應用前景?，F代異種材料擴散焊接技術發展的時間還很短，擴散焊工藝還不成熟，有許多問題等待解決：

（1）襯里結構和包覆結構的復合接頭因為難以在外部施加均勻的壓力，因而不適用于固相擴散焊接方法。面對這樣的特殊結構，需要開發新型的過渡材料作為中間擴散層實現異種材料的無縫連接，并且要滿足復合結構的強度要求。擴散過渡材料的研制需要較長時間的技術沉淀。

（2）在特定條件下異種材料的擴散焊接與鍛壓成形同時進行的超塑成形技術是異種材料擴散焊接技術應用的重要發展方向，如何保證成形過程中界面不開裂是超塑成形技術的關鍵。

（3）國內異種材料擴散焊技術還處于起步階段，需要對工藝及工藝標準逐步地、系統地進行優化和完善。

（4）目前，擴散焊接頭質量檢查方法采用金相檢查，并配以超聲波等無損檢測手段。尚無可靠的無損檢測方法來檢查十分緊密接觸的接頭。試驗中用超高頻（>50Hz）的超聲掃描裝置，只對明顯分離的未焊合和尺寸較大的孔洞才有效。因此，須開展研究可靠的檢測方法。當前國內還沒有用于異種材料擴散焊接頭質量驗收的標準。需要通過對工藝參數及工藝程序的研究和實際應用積累來建立行之有效的標準。

（5）國產大型擴散焊設備制造能力需要加強。目前，國內大型擴散焊設備都來自美、德等國家，價格比較昂貴。這些大型擴散焊設備多集中在研究所和高等院校，僅供試驗研究使用。絕大部分制造企業沒有設備能力，這一情況阻礙了擴散焊技術在國內的發展趨勢，改變這種現狀的最好辦法是能夠實現全系列擴散焊設備的國產化。