固态扩散连接(SSDB)在低于材料熔点的温度下进行，接头不产生非平衡凝固和热影响区，残余应力小，不发生宏观塑性变形，该技术广泛应用于制造复杂精密结构，如热能工程、石油化工、电子信息等领域的热交换器。然而，扩散连接工艺参数复杂，传统试验方法确定合适的工艺参数往往在大量实验和试错的基础上进行，周期长、成本高、效率低。SSDB中连接界面上孔洞的消除是最耗时的过程，深入了解扩散连接过程潜在的物理机制、精确量化孔洞闭合过程、优化焊接工艺参数以获得高质量结合接头是该领域亟待解决的关键科学问题。

近日，天津大学刘永长教授、刘晨曦研究员团队提出了一种可适用于异种金属材料扩散连接孔洞演化与闭合动力学模型。该模型相较于以往模型在预测精度、可解释性、适用性方面有了显著提高，揭示了各种形状界面孔洞的形成、有效地描述了真实的界面孔隙演化与闭合过程。相关研究成果以"Kinetics of voids evolution during diffusion bonding of dissimilar metals on consideration of the realistic surface morphology: Modeling and experiments" 为题发表于Acta Materialia期刊上。论文第一作者为硕士生常瑞江，通讯作者为刘晨曦研究员，合作作者有天津大学郭乾应研究员、马宗青教授、丁然副研究员、刘永长教授。该工作得到了国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划等项目的资助。

文中利用正弦波曲线来代表真实的表面粗糙度形态，通过考虑孔洞尖端的原子积累开发了一种新的方法来确定孔洞颈部的曲率半径，并将其应用于不同表面粗糙度材料的连接情形（图1）。此外，模型通过综合表面扩散的局部效应和键合机制的耦合效应，重新评估了表面源扩散和界面源扩散机制对孔洞闭合的贡献；在确定多组分合金的扩散系数和不同结合方式的界面扩散系数时，采用了应力梯度和浓度梯度共同作用下的组合扩散系数。通过纯金属结合试验验证了该模型的有效性，结果表明该模型与之前提出的模型相比，可解释性、预测精度和适用性得到了显著提高 (图2）。此外，该模型成功地描述了不同表面条件下铁素体耐热钢与奥氏体耐热钢扩散连接过程中的孔洞演化与收缩动力学（图3）、并量化了各子机制对孔洞闭合的贡献（图4），在此基础上在连续尺度上系统地研究了表面粗糙度对异种工业合金扩散连接过程界面孔洞演化与闭合动力学的影响。

图1 扩散连接界面孔洞演化过程：(A) 相同表面粗糙度的情况; (B) 不同表面粗糙度的情况

图2 纯金属 (Fe-Fe, Ni-Ni, Fe-Ni) 扩散连接试验验证以及各模型预测结果之间的对比

图3 奥氏体耐热钢/铁素体耐热钢异种接头界面孔洞演化动力学

图4 各机制对扩散连接孔洞闭合的贡献

作者报道了一种综合的固态扩散焊接过程的孔洞闭合动力学模型，该模型考虑了实际的表面形态和不同的表面粗糙度，通过适当确定材料参数，该模型可用于预测异种材料焊接过程中的界面孔洞演化与闭合过程，特别是对于在焊接温度下能够实现完全固溶的材料组合。研究结果表明，在SSDB过程中，空隙高度的降低速度非常缓慢，决定了获得完全焊合接头所需的结合时间。由于原子在界面孔洞尖端的积累，使得最初的正弦波状界面孔洞尖锐的颈部逐渐趋于圆滑，从而形成了具有单一凹表面轮廓的界面孔洞，如透镜形、椭圆形、硬币形和近似圆形等孔洞。随着表面粗糙度的降低，由于表面源扩散和界面源扩散机制的增强，孔洞演化过程加快，显著缩短了获得完全焊合接头所需的连接时间。当表面粗糙度不同的金属扩散连接时，残留的界面孔洞容易出现在表面粗糙度较低的基体金属一侧。因此，在较高蠕变抗力的基体金属上设置更光滑的表面可以加速界面孔隙的闭合。该研究预测了不同粗糙度的异种金属扩散连接界面结合进程，有效揭示了不同形状的界面孔洞在SSDB过程中的形成和演化，相关结果有助于加深对异种金属材料扩散连接接头界面孔洞演化动力学的理解，并为复杂金属构件制备工艺优化提供支撑。