陶瓷的焊接 6 o8 e7 k1 w1 b t

1、陶瓷的焊接6O8e7k1w1bT.@K1.發(fā)展背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)生了根本性的變化，從傳統(tǒng)的生活用陶瓷發(fā)展成為具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷，在電子信息技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用；同時由于其獨特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能而使其成為發(fā)展陶瓷發(fā)動機、磁流體發(fā)電及核反應(yīng)裝置等高科技產(chǎn)品的重要材料，但由于其嚴(yán)重的脆性而使其無法做成復(fù)雜的和承受沖擊載荷的零件。因此，必須采取連接技術(shù)來制造復(fù)雜的

2、陶瓷件以及陶瓷和金屬的復(fù)合件。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問題。早在本世紀(jì)30年代，在電子管的制造中已成功地采用了陶瓷金屬的封接技術(shù)，這實際上應(yīng)是一種用密封管子的釬焊。但它以達到密封為主要目的，因此該技術(shù)并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬復(fù)合件的焊接。近二十多年來隨著工程陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用，如汽車工業(yè)中陶瓷發(fā)動機的研究和開發(fā)，大大地推動了陶瓷焊接技術(shù)的發(fā)展。我國在50年代末開始研究電子管制造中的陶瓷金屬封接技術(shù)，但作為

3、工程上應(yīng)用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應(yīng)絕熱或無冷發(fā)動機研制的需要而發(fā)展起來的，并已取得了較大的進展。2技術(shù)關(guān)鍵不論陶瓷與金屬焊接，還是用金屬填充材料焊接陶瓷與陶瓷時都存在陶瓷金屬界面的結(jié)合問題。由于陶瓷與金屬在電子結(jié)隊晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)性能等方面存在著明顯的差別，因此要實現(xiàn)陶瓷金屬界面的冶金結(jié)合是非常困難的；用常規(guī)的焊接材料和工藝幾乎無法獲得可靠的連接，尤其是熔化焊。因為一些陶瓷（如SiC、Si3N4、

4、BN）在熔化前就升華或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化時迅速蒸發(fā)，其他能熔化的陶瓷，也很難與金屬熔合在一起形成組織和性能滿意的接頭。到目前只有個別用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的報道，如用電子束將Mo、Nb、W或可伐合金絲熔合到Al2O3絕緣體上以及用激光焊接Al2O3等?，F(xiàn)有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進行的，如研究得最多的釬焊與擴散焊。用這些方法焊接陶瓷時的關(guān)鍵問題為：（1）界面反應(yīng)問題無論是擴散焊還是釬焊，陶瓷金屬界面的

5、結(jié)合機制都屬于化學(xué)結(jié)合。陶瓷釬焊時釬料熔化后能否與陶瓷潤濕也取決于界面反應(yīng)；沒有界面反應(yīng)就不能潤濕，不能結(jié)合。因此，釬焊時陶瓷金屬的界面反應(yīng)不僅是產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合的必要條件，而且也是潤濕陶瓷的先決條件。例如用常規(guī)的AgCu釬料釬焊Si3N4時，既不潤濕又不結(jié)合；而用含有活性元素Ti的AgCuTi釬料釬焊時，潤濕和結(jié)合都很好。根據(jù)熱力學(xué)條件，活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應(yīng)的自由能變化ΔG0為準(zhǔn)則。在擴散焊時為獲得好的界面結(jié)合，金屬也必

6、須對陶瓷具有活性，例如Si3N4與Al的焊接；若金屬的活性很差時，須采用加活性中間層的辦法。(Fesg“CY%BZ根據(jù)前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相擴散焊和釬焊較適合于陶瓷的焊接，并且得到了應(yīng)用，如汽車發(fā)動機的陶瓷增壓器和陶瓷挺柱等都是用擴散焊和釬焊焊接的陶瓷與金屬的復(fù)合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規(guī)釬料配合應(yīng)用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發(fā)展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點是工藝相當(dāng)復(fù)雜。固相擴散焊的最大優(yōu)

7、點是避免了金屬對陶瓷的潤濕問題。但它要求整個焊接界面必須保持緊密接觸，因此對界面的加工精度要求很高，不適宜于大面積和復(fù)雜界西的焊接。釬焊主要受潤濕性的限制很大，但它對焊接面精度的要求較低，適合大面積和復(fù)雜界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了擴散焊外還有摩擦焊和微波焊等，但這些方法都不成熟，且存在很多缺點，例如摩擦焊是在瞬時內(nèi)施加很大的壓力通過大變形量來達到結(jié)合的，這對硬脆的陶瓷材料很難達到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點來進行

8、加熱和擴散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。工藝[3]。8gy%S(2)釬焊(3)擴散焊(4)陶瓷部分瞬間液相連接(5)自蔓延高溫合成焊接等焊接方法。3Cb1w%[9Md7^$s9V5T(1)熔焊熔焊主要是激光熔焊和電子束焊，采用這兩種連接方法雖然速度快效率高可以制造高溫下穩(wěn)定的連接接頭但是為了降低連接應(yīng)力防止裂紋的產(chǎn)生必須采用輔助熱源進行預(yù)熱和緩冷而且工藝參數(shù)難以控制[1]；能夠制造高溫下穩(wěn)定的連接接頭但難于形成面面連接且[wiki

9、]設(shè)備[wiki]投資昂貴[310]。(2)釬焊釬焊是利用陶瓷金屬母材之間的釬料在高溫下熔化其中的活性組元與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層從而將兩種材料結(jié)合在一起。陶瓷金屬釬焊的方法一般分為間接釬焊和直接釬焊兩類。間接釬焊法又叫兩步法，是先在陶瓷表面預(yù)金屬化然后再進行釬焊關(guān)鍵是陶瓷表面的預(yù)金屬化。直接釬焊法，即一步法，它是在釬料中加入一些Ti、Zr等活性元素將金屬與陶瓷直接釬焊起來，也叫活性釬料法。兩步法釬焊在電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)

10、用但其工序較多工藝較復(fù)雜成本高。而一步法釬焊工藝簡單成本低在結(jié)構(gòu)件制作中應(yīng)用較廣。活性金屬釬焊接頭質(zhì)量較好可靠性較高，易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)工藝流程易于操作與控制，工藝的主要難點在于釬料配制及減小界面應(yīng)力[23]。(3)擴散焊這里所說的擴散焊是固相擴散焊連接，固相擴散焊是在一定壓力和溫度下陶瓷與金屬緊密接觸(接觸距離達到幾埃到幾十埃以內(nèi))通過恢復(fù)、再結(jié)晶及晶界變化在界面處形成金屬鍵或化學(xué)鍵從而形成牢固結(jié)合的接頭。固相擴散連接根據(jù)被連接母材之

11、間是否插入中間層金屬可以分為直接連接和間接連接。固相擴散連接中界面的結(jié)合是靠塑性變形、擴散和蠕變機制實現(xiàn)的其連接溫度較高陶瓷金屬固相擴散連接通常為金屬熔點的0.9倍兩種材料熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配易在界面附近而產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力一般很難實現(xiàn)陶瓷與金屬的直接擴散連接[1112]。因此在進行陶瓷金屬連接時一般都采用在陶瓷和金屬之間插入中間層金屬的間接固相擴散連接方法。采用中間層的主要目的是減緩因陶瓷與金屬的熱脹差異而引起的熱應(yīng)力[13]，同

12、時也可起到抑制或改變界面生成物的作用[7]。擴散焊具有如下特點[3]：!j!|0@“A“T1M!I)c①接頭質(zhì)量穩(wěn)定焊縫中不存在熔化焊缺陷不存在過熱組織熱影響區(qū)；②可以一次焊接多個接頭效率較高；!Oo$[G#^)b③可焊接較大截面接頭；(B#r7g“o!Tuc④可考慮增加中間層對陶瓷材料無須表面金屬化。.O)B4D7P)X#]5YND(4)陶瓷部分瞬間液相連接部分瞬間液相連接具有液相和固相連接的優(yōu)點。由于液態(tài)金屬的存在使被連接表面的加工

13、要求不必太苛刻。通過中間層的合理設(shè)計可以使液態(tài)金屬數(shù)量少而且在需要的部位產(chǎn)生而后低熔點金屬擴散進入高熔點材料并與之反應(yīng)使液相消失形成的合金或中間層的性質(zhì)取決于高熔點核心材料的物理性質(zhì)如果需要還可以在高溫下不加壓進行退火通過互擴散而使產(chǎn)物均勻化[1]。由于有液相參與加速了連接過程降低了對連接表面加工精度的要求能有效地消除固相連接中難以完全消除的界面空洞[9]為陶瓷金屬的連接開辟了一個新途徑。(5)自蔓延高溫合成(SHSSelfPropag

14、ationHightemperatureSynthesis)焊接SHS連接是在陶瓷和金屬之間預(yù)置高溫焊料點燃焊料產(chǎn)生短時間高溫燃燒以SHS反應(yīng)放出的熱為高溫?zé)嵩匆許HS產(chǎn)物為焊料使陶瓷金屬界面迅速融合并快冷形成牢固的連接。SHS連接可以直接方便地合成功能梯度材料SHS連接中也可以使用粉末梯度材料即一端和陶瓷親和另一端和金屬親和其成分逐步過渡[3]。SHS連接料的配方、壓力、氣氛等均易于控制反應(yīng)時間短(一般為幾秒)能顯著節(jié)約能源及加工時間

15、。但也由于反應(yīng)速度太快給連接熔池的控制帶來許多困難。如果研究中燃燒時間成為可控因素那么SHS連接中連接件品質(zhì)就會大幅度提高就會使SHS連接技術(shù)趨于成熟被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的連接中[14]。k#~&ds7]2g2IV&|E四陶瓷與金屬焊接技術(shù)的應(yīng)用#BqH9u)w(F%S目前陶瓷與金屬連接技術(shù)的應(yīng)用越來越多比較廣泛地應(yīng)用于刀具制造及電子工業(yè)。如陶瓷刀頭與鋼刀桿的焊接使用銀基或銅基釬料。當(dāng)釬料中不含鈦時焊前需對陶瓷預(yù)金屬化再在陶瓷刀頭與鋼刀桿之