摘自：釬焊

1. 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與金屬界面的結(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)陶瓷與金屬界面的冶金結(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、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Ag-Cu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Ag-Cu-Ti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為準則。在擴散焊時為獲得好的界面結(jié)合，金屬也必須對陶瓷具有活性，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。

 （2）界面兩側(cè)的熱-力學(xué)的匹配問題 由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，降低了接頭的斷裂強度。甚至開裂。目前主要的解決辦法是在陶瓷和金屬之間加中間層。作為中間層的金屬有兩類：①熱膨脹系數(shù)小的金屬；②屈服點σs和彈性模量E低的軟金屬。但通常二者是相互矛盾的。軟金屬（如Cu）的熱膨脹系數(shù)都很大，而膨脹系數(shù)小的金屬（如W、Mo）的σs、E均較大。通過有限元計算和拉伸試驗的結(jié)果，說明用軟金屬Cu作中間層比用低熱膨脹系的W、Mo作中間層的降低熱應(yīng)力效果好，而且所得接頭的抗拉強度高。如同時采用這兩類材料的復(fù)合中間層則效果更好。

3．幾種焊接方法的比較

　　   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)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加熱和擴散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。

4. 發(fā)展前景

　　關(guān)于陶瓷焊接的研究數(shù)量很多，目前除對一些理論問題，如界面反應(yīng)、內(nèi)應(yīng)力數(shù)值模擬等須進一步深入研究外，擬將重點放在實用化方面。其中主要問題為：

 （1） 為充分發(fā)揮陶瓷耐高溫的特性，必須解決接頭的高溫性能。

 （2）目前的試驗都是采用小試樣，內(nèi)應(yīng)力問題不很突出，在大面積和復(fù)雜零件的焊接時，陶瓷前開裂和低應(yīng)力破壞是一個嚴重問題，必須進步研究降低內(nèi)應(yīng)力的辦法。

 （3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進行，效率低、成本高，必須研究非真空的高效低成本焊接方法。

　其中（1）（2）兩個問題是關(guān)鍵，而且二者密切相關(guān)，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發(fā)應(yīng)采用高溫釬料和耐高溫的中間層，這是目前普遍采用的辦法，但帶來了很大的負面作用，即提高了焊接內(nèi)應(yīng)力。從降低內(nèi)應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)盡量降低焊接溫度，采用低溫釬料和軟金屬的中間層，但限制了接頭的使用溫度。為解決好這對矛盾，必須研究能在低溫焊接，高溫使用的特殊材料和特殊工藝。低熔點過渡液相擴散焊或低熔點釬料的擴散釬焊都是很有吸引力的解決辦法；另外，可以采用陶瓷與金屬的高溫梯度材料來解決高溫焊接時的接頭內(nèi)應(yīng)力問題以及采用非晶態(tài)釬料或中間層來降低釬焊溫度和擴散焊溫度。

　　此外，陶瓷在焊接件的可靠性評定也是一個很重要的問題。因為陶瓷是脆性材料，因此一旦含有焊接微裂紋或內(nèi)應(yīng)力水平過高時，使用過程中發(fā)生脆性斷裂將是非常危險的。

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的金屬材料在耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等方面的性能已不能滿足日趨提高的要求。陶瓷材料,特別是具有熔點高、高溫強度高、硬度高、高溫蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、彈性模量高以及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良性能和特點的先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是作為結(jié)構(gòu)材料，陶瓷由于其化學(xué)鍵的特點,具有脆性大、強度分散和加工困難三個固有的缺點,這些缺點導(dǎo)致其抗冷熱沖擊能力差、難以制成尺寸大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件,從而也限制了其應(yīng)用范圍[1-3]。

　　由此可見,陶瓷材料和金屬材料之間明顯有著一種性能互補關(guān)系,將陶瓷與金屬連接起來制成復(fù)合構(gòu)件,充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)點,彌補各自的不足,對于改善結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)、降低制造成本、拓寬陶瓷材料的應(yīng)用范圍具有特別重要的意義[1]。解決這一問題的最好方法就是采用連接技術(shù)制造陶瓷與金屬的復(fù)合構(gòu)件，從而發(fā)揮陶瓷與金屬各自的優(yōu)良性能[4]。因此對金屬與陶瓷材料焊接進行研究并獲得兼具金屬及復(fù)合陶瓷優(yōu)越性的復(fù)合構(gòu)件具有重要的意義，陶瓷/金屬的連接問題也一直是研究的熱點問題[5]。

　　二、陶瓷與金屬焊接的主要困難

　　陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物,它與金屬有相似之處, 也有晶粒聚集體,也有晶粒和晶界。但它與金屬有本質(zhì)上的不同,它不含大量自由電子,而是以離子鍵、共價鍵或兩者的混合鍵結(jié)合在一起,穩(wěn)定性很高[6]。陶瓷與金屬的焊接上主要表形在[7]：

①陶瓷和金屬的鍵型不同，連接時存在鍵型的轉(zhuǎn)換和匹配問題，難以實現(xiàn)良好的冶金連接；

②陶瓷與金屬的熱脹差異很大，連接后容易產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，難以獲得高強度接頭；

③陶瓷的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)電性差，抗熱沖擊能力弱，潤濕性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。

　　三、陶瓷與金屬的連接方法

　      常用的陶瓷與金屬的連接方法有3種：焊接連接、[wiki]機械[/wiki]連接和粘接連接。焊接連接的特點是連接界面為擴散、物理力、化學(xué)鍵作用,接頭強度高,有一定的氣密性,耐高溫,可靠性較高,但其工藝成本高,接頭存在內(nèi)應(yīng)力。機械連接界面為機械力作用,接頭無氣密性, 易產(chǎn)生應(yīng)力集中。粘接連接界面為物理力、化學(xué)鍵作用。機械連接和化學(xué)連接工藝的使用范圍很有限,這兩種工藝聯(lián)合使用雖可以進一步增加接頭強度并獲得氣密性接頭, 但使用條件也較有限。一但考慮復(fù)雜受載條件、較高使用溫度及可靠性因素時, 就只能選擇陶瓷與金屬的焊接連接工藝[3]。

         由于陶瓷和金屬是兩類性質(zhì)不同的材料, 相互結(jié)合時在界面上存在著化學(xué)及物理性能的差異, 特別是化學(xué)鍵差異較大, 采用常規(guī)的焊接方法不容易實現(xiàn)有效連接[7-9]。陶瓷/金屬焊接研究發(fā)展到今天,已經(jīng)有很多連接方法,主要有: (1) 熔焊; (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。

 (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]設(shè)備[/wiki]投資昂貴[3,10]。

 (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)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?；钚越饘兮F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[2,3]。

 (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[11,12 ] 。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：① 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；

③ 可焊接較大截面接頭；

④ 可考慮增加中間層, 對陶瓷材料無須表面金屬化。

 (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(SHS-Self Propagation High-temperature Synthesis)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?以SHS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。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]。

　　四、陶瓷與金屬焊接技術(shù)的應(yīng)用

　　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間加一塊銅片以減小應(yīng)力, 最后利用釬料將陶瓷刀頭、中間銅片(應(yīng)力減緩層) 及鋼刀桿焊在一起。在電子工業(yè)中, 廣泛使用氧化鋁與金屬的焊接, 生產(chǎn)各種半導(dǎo)體器件。

　此外, 在熱機制造中陶瓷與金屬的焊接也很普遍。一是內(nèi)燃機閥, 該部件使用全金屬件時, 由于閥桿的端面部分在高溫下工作, 因而燒損很快。現(xiàn)采用金屬- 陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu), 在閥桿端面的高溫部分鑲上Si3N4塊,用擴散焊使閥桿端面與Si3N4鑲塊連接起來, 其抗燒損力提高10～15倍, 大大延長了內(nèi)燃機閥的使用壽命。二是燃油噴嘴, 其內(nèi)錐面要承受高溫燃油的沖刷,工作條件十分惡劣, 極易損壞, 從而使整個燃油嘴不能正常工作。在內(nèi)錐面鑲上一塊SiC, 用擴散焊將SiC 與燃油噴嘴金屬基體連接起來, 可使整個部件的壽命提高幾十倍。三是將氮化硅陶瓷透平轉(zhuǎn)子與鋼軸用釬焊法連接起來。

　　五、結(jié)束語

　　綜合上述各方法的特點發(fā)現(xiàn),釬焊、固相壓力擴散焊、陶瓷部分瞬間液相連接、自蔓延高溫合成焊接等方法焊接陶瓷-金屬顯示出較高的適應(yīng)性和較好的應(yīng)用前景?；钚越饘兮F焊和固相擴散焊具有技術(shù)較成熟,連接強度高,重復(fù)性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于連接在中、低溫領(lǐng)域服役的陶瓷-金屬復(fù)合構(gòu)件。集釬焊和固相擴散連接優(yōu)點于一體的部分瞬間液相連接方法,在陶瓷-金屬接頭高溫應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,是極有發(fā)展前途的連接方法。" `5 A& N0 N% - X& V4 w& E

陶瓷-金屬的焊接是一個全新的領(lǐng)域, 內(nèi)容新穎而又異常豐富, 今后隨著該種材料應(yīng)用范圍的不斷擴大, 其可焊性和焊接工藝的研究將成為國內(nèi)外普遍關(guān)注而亟待解決的研究課題。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展, 陶瓷與金屬焊接技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。相鄰學(xué)科和技術(shù)之間的相互滲透、互相結(jié)合形成多交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科和交叉技術(shù), 也必將促進陶瓷與金屬連接技術(shù)的發(fā)展。

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