摘要
非晶合金具有良好的物理和化学性能，但尺寸问题限制了其实际应用，而焊接技术可以突破其应用瓶颈。非晶合金焊接方法可分为液相焊接和固相焊接，两类方法焊接过程中非晶接头形成方式不同，有效避免晶化是获得高质量接头的关键，本文就非晶合金焊接领域的研究进行了系统全面的梳理与归纳，综述了非晶合金/非晶合金焊接、非晶合金/晶态金属焊接的研究现状，重点阐述了不同焊接方法获得完全非晶态焊件的特点与局限，同时本文还综述了非晶合金作为钎料的研究现状，分析了非晶钎料的应用前景，并总结了提高非晶钎料钎焊接头力学性能的方法，继而对非晶合金焊接研究及发展提出了展望。关键词：非晶合金；焊接技术；非晶钎料；晶化
非晶合金（MG），也称金属玻璃，是近几十年来通过快速凝固技术和熵调控理念开发出的新型高性能金属合金材料。通过抑制合金熔体原子结晶调制而成的这类材料，具有长程无序、短程有序的结构特征，兼具玻璃、金属等物质的特性，突破了传统金属材料原子结构有序的固有概念，并且表现出了良好的物理和化学性质，如过冷液相区的超塑性、高强度、高硬度、抗腐蚀性等，具有重要的研究价值和广阔的应用前
为了突破非晶合金面临的应用瓶颈以及更好地将非晶合金组件集成到机器或其他产品的结构中，除了研发新型的非晶合金和改进非晶合金制备工艺外，很多学者尝试用焊接方法将非晶合金自身及其他非晶或晶体材料相结
非晶合金的液相焊接，其过程一般为通过局部高温熔化的过程使非晶合金在液态状态下相互混合，随后通过快速冷却形成焊接接头。典型的方法包括激光
非晶合金的固相焊接，即在施加一定的外力条件下，通过塑性变形破碎非晶合金表面的氧化膜，并利用非晶合金在过冷液相区的超塑性实现焊接。这类方法包括搅拌摩擦
目前，已经通过多种方法实现了同种非晶合金之间的焊接。然而，对于异种非晶合金或非晶合金与其他材料之间的焊接，由于存在性能差异或结构差异等复杂问题，给焊接工艺的选择和运用带来了一定挑战。本文总结了非晶合金/非晶合金焊接技术、非晶合金/晶态金属焊接技术以及钎焊工艺中非晶合金作为钎料的研究现状，并对非晶合金焊接的未来发展趋势进行了探讨。
对于同种非晶合金液相焊接，在一定工艺参数条件下，焊缝完全焊透且其中熔化的合金均匀混合，一般不会出现焊件未接合等焊接失效情况。对同种非晶合金液相焊接而言，焊接失效主要指焊接接头内部非晶合金完全或部分结晶而导致焊接接头出现裂纹或力学性能大幅度下降等现象。因此，同种非晶合金液相焊接成功的关键在于避免晶化相的析出。然而，在非晶合金液相焊接过程中，焊缝区以及焊接热影响区的晶化机制并不相同，为了实现焊接必须同时满足焊缝金属和热影响区避免晶化的条件。
在液相焊接方法中焊缝金属经历熔化和凝固过程，焊后焊缝区是否保持非晶态主要与其非晶合金形成能力相关。非晶形成能力越强，非晶形成所需的临界冷却速度就越小，焊接过程中焊缝区金属就越容易保持非晶态。值得注意，非晶合金的形成能力与过冷液相区的宽度（ΔT=Tx-Tg，其中Tx为晶化温度，Tg为玻璃转变温度）直接对应的关系，具体表现为ΔT越大，非晶形成能力越
对于焊缝金属而言，只需要提供足够的冷却速度就能避免结晶。因此，液相焊接方法中高能束焊接工艺，如激光焊接和电子束焊接等，具有高能量密度热源，焊接速度快，形成的焊道窄而深，能够为焊缝金属提供较快的冷却速度，以实现焊缝区非晶合金的快速冷却和凝固，现阶段被广泛应用。马焰议
与焊缝区非晶结晶机制不同，焊接热影响区在固态下经历升温和降温这样一个热循环。经研究发现根据非晶合金的特征温度，利用Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程和Kissinger方程能很方便地拟合出非晶合金焊接区域的连续加热相变（CHT）曲线，该曲线可以准确地描述焊接过程中非晶合金热影响区的结晶过
图1 非晶合金焊接热影响区的CHT曲线
Fig.1 CHT curve of heat affected zone (HAZ) in MG weldin
值得注意，非晶合金焊接热影响区的CHT曲线之中起始线和终点线之间的时间间隔与非晶向晶体转变的生长能力相关，即时间间隔越宽，晶体生长能力越低。在实际焊接过程中，当非晶合金焊接热影响区的热循环曲线与CHT曲线的起始线相交，热影响区发生部分结晶时，晶体生长速率低的非晶合金焊接热影响区生成的结晶相比例往往越少，焊接热影响区抗结晶能力越
对于同种非晶合金的固相焊接而言，最主要的问题为临界面的接触问题，关乎着非晶合金能否成功接合，非晶合金表面的氧化膜不同于基体的亚稳态结构，而是自由能更低的热稳定物，为了实现连接，需要将氧化膜破除，以达到光洁的原子间接触界面，并通过原子间扩散才能完成连接。
常见的非晶合金的固相焊接方法，如热塑性焊接，可以较好地实现同种非晶合金的焊接。Chen
图2 热塑性搭接原理图和蜂窝状的非晶合金架构制备流程
Fig.2 Thermoplastic lapping principle diagram (a
而且这种热塑性焊接方法还可以实现非晶合金构件结构的复杂化。Liu
但在热塑性焊接方法中，为了能够有效破除非晶合金表面的氧化膜，并促进原子间的扩散，形成良好的焊接接头，一般选择适当提高焊接温度或延长焊接保温时间，这一定程度上会导致晶化问题的出现，同时这种方法对待焊接面的要求较高。而搅拌摩擦焊是通过搅拌头施加热、机双重作用使非晶母材产生塑性变形，相对于热塑性焊接方法，不仅更有利于材料表面氧化膜的破除，而且效率更高，可以在避免晶化的基础上实现非晶合金之间的连接，形成力学性能优良的接头。Ji
相比于热塑性焊接方法，还存在一种更加适用的固相焊接方法，即超声焊接，是利用超声波的特性使非晶母材之间产生相互摩擦而破除氧化膜。对于大多数非晶合金而言，超声焊接过程中会呈现“超声塑性”，即在超声振动环境下即使温度未达到Tg也可以表现出超塑
而且相比于其他需要热作用的焊接方法，超声焊接的适用范围也更加广阔，其可以在特殊液体环境中，如乙醇等易燃易爆环境以及液氮等极端低温环境中，实现对非晶合金的焊接。Li
图3 液体环境下超声焊示意图与焊后非晶合金试样抗拉强度和抗弯强度力学性能与铸态试样对比图
Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic welding in liquid environment (a); comparison diagrams of mechanical properties of welded MG specimens with as-cast specimens: (b) tensile strength and (c) bending strengt
通过选择不同非晶合金组合进行焊接，能够充分发挥非晶合金的特性，起到优化性能的作用，如增加强 度、导热性、耐腐蚀性或导电性等，同时实现多功能性，满足定制化设计要
与同种非晶合金不同，异种非晶合金焊接不但需要考虑非晶合金形成能力差等因素而易导致的晶化问题，还需要综合考虑多个重要因素。首先，异种非晶合金的热膨胀系数差异可能导致热应力等问题；其次，在液相焊接过程中，由于异种非晶合金的熔点不同，需要调控焊接温度等因素，以确保均匀融合；另外，在固相焊接过程 中，由于异种非晶合金的过冷液相区的差异，界面两侧非晶可能无法同时达到粘性流动状态，也会给异种非晶焊接带来挑战。
因为异种非晶合金的熔点差异，常见的如激光焊 接、电子束焊接等液相焊接方法，需要输入更高的能量或需将焊点偏置才能实现焊接，工艺参数调控变得更为复杂，现阶段利用这些方法来实现异种非晶连接的研究也较少。
但存在一种液-固焊接方法，即将一种固态非晶合金插入模具内，而后将另一非晶合金熔体浇铸于该模具内，该方法由Huang
不同于异种非晶的液相焊接方法，对于异种非晶的固相焊接方法，如摩擦焊、热塑性焊等，无需考虑两侧材料的熔点差异，但这些方法都需要有共同的过冷液相 区，可表现为部分重叠的过冷液相区。因此，常规固相焊接工艺参数下不同非晶合金的焊接组合有限。而且受到非晶形成能力的限制，可供进行摩擦焊、热塑性焊等固相焊接的异种非晶组合将更少。Kou
此外，在这些固相焊接方法中，不同非晶合金在重叠部分的过冷液相区中也必须有差距不大的粘度。Shoji
图4 异种非晶合金组合焊后样品形貌
Fig.4 Morphologies of samples obtained by dissimilar MG combination weldin
而当常规焊接工艺条件下过冷液相区无重叠部分时，摩擦焊、热塑性焊等固相焊接方法可行性无相关报道，但此时可以考虑非晶合金特征温度随升温速率的变化特性，即非晶合金的玻璃化转变温度和结晶温度随升温速率升高，过冷液相区向高温区转移的特征，再结合异种非晶合金的特征温度在升温速率上的依赖性差异，可使得异种非晶合金组合在高升温速率下产生过冷液相区部分重叠的现象，从而使异种非晶合金组合得以实现焊接。这一实现异种非晶合金的焊接的新思路由Yang
图5 Zr1和Ti1非晶合金的特征温度Tg和Tx随升温速率变化曲线和脉冲电流为4.1 kA时焊接接头截面形貌和标记区域放大图
Fig.5 Characteristic temperature Tg and Tx curves of Zr1 and Ti1 MGs with heating rate (a); cross-section morphology of the welded joint with pulse current of 4.1 kA (b) and enlarged view of the marked area in Fig.5b (c
随着制造业的不断发展，人们越来越重视材料的性能要求。大多数产品需要适应各种恶劣环境，如耐腐蚀、耐高温蠕变等，单层金属材料已不能满足现代工业发展的需要。因此，异种材料的连接以发挥其自身的优势成为工业应用的必然趋势。
非晶合金通常表现出高硬度和脆性，而在受力时容易形成剪切带，这可能降低材料的强度和塑性。将非晶合金与晶态金属结合在一起可以减少剪切带的扩展，提高材料的强度和塑性性
非晶合金的结构是高度无序的，而晶态金属具有有序的晶体结构，为了解决材料之间的结构不匹配问题，同时增强焊接接头的机械性能，当非晶合金与晶态金属焊接时，往往会在焊接接头中引入一个过渡层。该过渡层通常同时具备非晶组织和晶态结构且具有一定厚度。Wang
到目前为止，搅拌摩擦
对于非晶合金和晶态金属之间液相焊接，由于非晶合金和晶态金属存在一定的熔点差，通常需要采用一定的手段来解决焊接界面熔化不均的问题，这一点在异种非晶之间的液相焊接中也有体现，但由于焊接界面两侧组织并不相同，焊接过程中高温下靠近晶态金属侧的熔融晶态金属易与扩散而来的非晶合金中原子结合并快速形核生长，生成金属间化合物，而非晶合金一侧更多是由于其本身熔化而形成新相，另外在焊接热循环作用下，非晶热影响区也易发生晶化现象。陈伟专
在室温条件下，大多数金属间化合物呈现出低脆性和低塑性的特征，易使材料失效断
焊接过程中，非晶合金与晶态金属之间原子扩散过程中出现的结晶现象并非单指金属间化合物的生成，还包括晶态金属在接头内部的再结晶现象等，而再结晶的晶粒由于受到非晶合金的限制，往往很小。这些细小晶粒的出现，会起到分散强化作用，从而对焊接接头硬度有一定的提升效果。Zhang
图6 Zr基非晶合金和Cu脉冲激光焊接界面原子扩散结晶示意图
Fig.6 Schematic diagrams of atomic diffusion and crystallization process at Zr-based MG and Cu interface during laser pulse weldin
值得注意，熔融态的焊缝中，晶态金属中元素扩散至熔融的非晶合金内，会改变非晶合金的化学成分，并对其非晶形成能力有着显著影响，不利于焊缝中的非晶合金维持非晶态。Kim
在非晶合金与晶态金属的固相焊接过程中，当发生冶金结合形成过渡层时，过渡层内部同样会发生结晶现象，如生成金属间化合物以及晶态金属的再结晶等。Saadati
但对于非晶合金与晶态金属的固相焊接方法而言，并非必须通过原子间扩散形成过渡层才能实现有效连接，还可以仅通过塑形变形来实现，即让界面两侧材料仅机械连接在一起。此类情况主要出现在爆炸焊、激光冲击焊等高速冲击焊接方法中。Wang
图7 激光冲击焊下Cu和非晶合金焊接界面和标记区域的放大图
Fig.7 Welding interface of Cu and MG joint by laser impact welding (a) and enlarged views of marked areas in Fig.7a (b–d
值得注意，这些高速冲击焊接方法可以避免非晶合金晶化。Vivek
传统钎焊过程中，钎焊接头的冶金结合是熔化的钎料与母材之间发生较强的扩散、反应等作用，而形成固溶体、金属间化合物等界面结构的结果。其中钎料的润湿和铺展是钎焊的前提，非晶态钎料通常成分均匀、流动性好，而且具有较好的润湿性能，这意味着它们在液态状态下可以均匀地附着在基体表面，形成均匀的涂层。
非晶钎料作为一种具有潜在发展前景的新型材 料，在过冷液相状态下实现对两侧材料的连接是可行的。而且非晶钎料成型性好，制备所得的非晶合金厚度可低至几十微米，能够弥补一些因含有脆性化合物的传统钎料（如Cu-P基钎料）难加工成箔带的缺陷，适用范围更广。现已被广泛用于金属/金属、陶瓷/陶瓷以及陶瓷/金属间的连接。
传统的钎料熔化的金属间钎焊方法，常见的如炉中钎焊、真空钎焊等。在这些钎焊方法中，钎焊温度普遍高于钎料熔点，无论采用何种钎料均易使钎焊接头内出现脆性金属间化合物相，但相比于同成分晶态钎料，在同条件下，非晶态钎料钎焊接头区域元素的扩散深度及分布的均匀程度均更大，这有利于降低钎缝中脆性化合物相生成的概率，钎焊接头的钎缝中心组织也要明显均匀、细小，如
图8 Cu基合金晶态和非晶态钎料同条件下钎焊接头的显微组织
Fig.8 Microstructures of brazed joints of Cu-based alloy with crystalline (a) and amorphous (b) brazing materials under the same condition
为了进一步提升钎焊接头力学性能，可以通过对钎焊工艺参数的调控来使脆硬的金属间化合物相减少或消失。Song
还可通过对非晶钎料进行组分设计，以提高钎焊接头的力学性能。除了考虑加入可以提高非晶形成能力的元素外，非晶钎料的设计原则通常优先考虑钎料元素与母材的固溶性，良好的固溶性有利于保证界面能形成冶金结合；其次考虑减少致使脆硬金属间化合物相生成的成分在非晶钎料内的含量，或加入能抑制脆硬金属间化合物生成的元
值得注意，上述传统的钎料熔化的金属间钎焊方 法，因钎焊温度较高，会给焊接接头带来一定程度热损伤，而一种名为表面活化过冷液相区钎焊的使非晶钎料处于固相的钎焊方法，由Kato
与非晶合金类似，陶瓷具有良好的耐热性、耐磨性和绝缘性能等优良特性，但其韧性值较低，属于脆性材 料，仅使用陶瓷制造大型复杂结构仍然是一个挑战。为了克服陶瓷的脆弱性及难加工等问题，拓宽其进一步的应用与发展，同样也可采用焊接技术将陶瓷材料连接起来。
在现有的连接陶瓷的技术中，钎焊技术因工艺简 单、成本低、接头尺寸和形状限制小等优点，适合大规模工业生产，得到了广泛的应
为了使陶瓷材料能够实现连接，首要问题是使钎料能够润湿其表面，因此，钎料的选择是陶瓷钎焊的关键问题之一。研究发现，活性合金钎料在陶瓷表面表现出了良好的润湿
非晶合金钎料，作为一种亚稳态材料，已被证实在陶瓷表面有着良好的润湿性能，有望取代传统的Ag-Cu-Ti合金，而且非晶合金钎料在高温钎焊过程中有着较高的原子扩散速率，能够加快表面反应。Wang
与金属间钎焊类似，在陶瓷间的钎焊过程中，非晶态钎料钎焊接头区域元素的扩散深度及分布的均匀程度大于晶态钎
将陶瓷和金属进行焊接十分必要，两者在性能上能形成一种互补关系，使之能成为理想的结构和工程材 料，以满足现代工程的应用，大大扩展陶瓷材料的应用范
生产中常用钎焊将陶瓷和金属连接起来，但陶瓷和金属之间普遍润湿性差以及两者之间存在较大的热膨胀系数差异等问题仍然存在，多数情况下无法避免连接界面处出现高残余应力集中的现象，钎焊接头力学性能往往较差。
而基于非晶钎料在金属间和陶瓷间钎焊的可行性和所展现的优于晶态钎料的性能，在钎焊金属/陶瓷时采用非晶合金钎料一定程度上可以解决上述问题。Liu
目前，非晶合金焊接是研究非晶合金并拓展其应用的重要方向之一。随着制造业的不断发展，单一的非晶合金成形工艺不足以满足市场对非晶合金应用的需 求，而且非晶合金钎料在钎焊领域呈现出了巨大的应用潜力，人们对于非晶合金焊接的关注不断增加，其未来发展趋势仍然具有广泛的探索空间。本文将在对非晶合金焊接研究进展进行全面论述的基础上，对该研究方向未来的发展趋势进行展望：
1）一般按非晶合金的焊接原理，将焊接分为两类：非晶固相焊接和液相焊接，前者焊缝温度处于非晶的过冷液相区，后者焊缝温度高于非晶熔点。但Yang
2）虽然现阶段非晶合金焊接研究中，无论非晶间焊接还是非晶与异种材料焊接通过工艺参数优化后均已能够获得力学性能较好的焊接接头，但非晶合金部分容易产生晶化的问题仍然存在。因此，寻找更加合适的焊接方法有着重要意义。例如，在焊接过程中加入冷却设备辅助，Wang
（3）目前，在非晶合金作为钎料的领域，对于金属间或陶瓷间，亦或者是金属/陶瓷间的钎焊，都主要是利用非晶钎料与基体材料的反应，形成冶金结合层，而实现良好连接。焊后非晶钎料都发生了晶化，而对于利用非晶钎料过冷液相区的特性实现钎焊以及焊后非晶钎料维持非晶态的报道则很少，利用非晶钎料过冷液相区的特性实现钎焊，通常焊接温度较低，一定程度上能够避免接头残余应力的产生，而焊后非晶钎料维持非晶态是否于焊件性能有利尚且未知，这都需要重点关注。
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