第五章+陶瓷材料的連接(2)

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷連接的要求和存在的問題陶瓷連接的要求和存在的問題陶瓷材料的焊接性問題陶瓷材料的焊接性問題陶瓷材料的連接方法陶瓷材料的連接方法線脹系數(shù)、彈性模量差異線脹系數(shù)、彈性模量差異接頭附近不均勻的熱應(yīng)力接頭附近不均勻的熱應(yīng)力(陶陶瓷側(cè)高應(yīng)力瓷側(cè)高應(yīng)力) 應(yīng)力集中應(yīng)力集中裂紋裂紋焊接溫度與室溫之差很大焊接溫度與室溫之差很大較大的殘余應(yīng)力較大的殘余應(yīng)力一、焊接應(yīng)力和裂紋一、焊接應(yīng)力和裂紋緩解較大的分布不均殘余應(yīng)力的措施：緩解較大的分布不均殘余應(yīng)力的措施：加入中間層加入中間層 中間層的選擇原則：中間層的選擇原則： 選擇彈性模量和屈服強(qiáng)度較低、塑性好的材料選

2、擇彈性模量和屈服強(qiáng)度較低、塑性好的材料，通過中間層金屬或合金的塑性變形，將陶瓷，通過中間層金屬或合金的塑性變形，將陶瓷中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間層中，從而減小陶瓷中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到中間層中，從而減小陶瓷/金屬金屬接頭的應(yīng)力。接頭的應(yīng)力。主要選擇的中間層：主要選擇的中間層：?jiǎn)我唤饘伲簡(jiǎn)我唤饘伲篊u、Ni、Nb、Ti、W、Mo、銅鎳合金、銅鎳合金、合金鋼、合金鋼兩種不同的金屬作為復(fù)合中間層，例如：兩種不同的金屬作為復(fù)合中間層，例如：Ni作為塑作為塑性金屬，性金屬，W作為低線脹系數(shù)材料作為低線脹系數(shù)材料中間層材料的預(yù)置方式：中間層材料的預(yù)置方式：金屬鉑片金屬鉑片金屬粉末：真空蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉積、金屬粉

3、末：真空蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉積、噴涂、電鍍噴涂、電鍍中間層的影響：中間層的影響：中間層厚度增大，殘余應(yīng)力降低中間層厚度增大，殘余應(yīng)力降低若中間層與母材有化學(xué)反應(yīng)生成脆性化合物，會(huì)使若中間層與母材有化學(xué)反應(yīng)生成脆性化合物，會(huì)使接頭惡化接頭惡化其他降低殘余應(yīng)力的特殊措施：其他降低殘余應(yīng)力的特殊措施：合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條件下合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條件下，盡可能使兩者的線脹系數(shù)相差最小。，盡可能使兩者的線脹系數(shù)相差最小。盡可能減小焊接部位及其附件的溫度梯度，控制加熱速度，盡可能減小焊接部位及其附件的溫度梯度，控制加熱速度，降低冷卻速度，有利于應(yīng)

4、力松弛而使焊接應(yīng)力減小。降低冷卻速度，有利于應(yīng)力松弛而使焊接應(yīng)力減小。采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計(jì)陶瓷與金屬的接采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設(shè)計(jì)陶瓷與金屬的接頭結(jié)構(gòu)。頭結(jié)構(gòu)。二、界面反應(yīng)及形成過程二、界面反應(yīng)及形成過程 接頭界面反應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)是影響陶瓷與金屬結(jié)接頭界面反應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)是影響陶瓷與金屬結(jié)合的關(guān)鍵。這些相結(jié)構(gòu)取決于陶瓷與金屬合的關(guān)鍵。這些相結(jié)構(gòu)取決于陶瓷與金屬(包括包括中間層中間層)的種類，也與連接條件的種類，也與連接條件(如加熱溫度、表如加熱溫度、表面狀態(tài)、中間合金及厚度等面狀態(tài)、中間合金及厚度等)有關(guān)。有關(guān)。1 1、界面反應(yīng)產(chǎn)物、界面反應(yīng)產(chǎn)物例如：例如：SiCSi

5、C與金屬的反應(yīng)，生產(chǎn)該金屬的碳化物、硅化物與金屬的反應(yīng)，生產(chǎn)該金屬的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相MeSiMeCSiCMeyxCMeSiSiCMe例如：例如：SiSi3 3N N4 4與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氮化物、硅化物或三與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氮化物、硅化物或三元化合物元化合物例如：例如：AlAl2 2O O3 3與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氧化物、鋁化物或三與金屬的反應(yīng)，生成該金屬的氧化物、鋁化物或三元化合物元化合物2 2、擴(kuò)散界面的形成、擴(kuò)散界面的形成 陶瓷與金屬各方面的差異很大，中間層元素陶瓷與金屬各方面的差

6、異很大，中間層元素在兩種母材中的擴(kuò)散能力不同，造成中間層與兩在兩種母材中的擴(kuò)散能力不同，造成中間層與兩側(cè)母材發(fā)生反應(yīng)的程度也不同，所以產(chǎn)生擴(kuò)散連側(cè)母材發(fā)生反應(yīng)的程度也不同，所以產(chǎn)生擴(kuò)散連接界面形成過程的非對(duì)稱性。接界面形成過程的非對(duì)稱性。例如：例如：AlAl2 2O O3 3-TiC-TiC復(fù)合陶瓷復(fù)合陶瓷與與W18Cr4VW18Cr4V高速鋼擴(kuò)散連接高速鋼擴(kuò)散連接，以以Ti/Cu/TiTi/Cu/Ti為中間層為中間層3 3、擴(kuò)散連接界面反應(yīng)機(jī)理、擴(kuò)散連接界面反應(yīng)機(jī)理(1) Al2O3-TiC/Ti界面界面(A)(2)Ti-Cu-Ti中間層內(nèi)中間層內(nèi)(B)(3)Ti/W18Cr4V界面近界面近

7、Ti側(cè)側(cè)(C)(4)Ti/W18Cr4V界面近界面近W18Cr4V側(cè)側(cè)(D)反應(yīng)層反應(yīng)層A主要為：主要為：TiO、Ti3Al和和TiC相相AlTiOOAlTi2333233TiAlAlTiTiAlAlTiAlTiAlTi33TiAlTiTiAl323AlTiTiTiAl32TiCCTi反應(yīng)層反應(yīng)層B主要為：主要為：CuTi、CuTi2和和TiCCuTiTiCu22CuTiTiCuTiCCTi反應(yīng)層反應(yīng)層C主要為：主要為：TiC和少量的和少量的FeTi相相FeTiTiFeTiFeTiFe22FeTiTiFe2TiCCTi反應(yīng)層反應(yīng)層D主要是：主要是：Fe3W3C等碳化物和等碳化物和-FeTiCC

8、TiW18Cr4V側(cè)形成脫碳層側(cè)形成脫碳層CWFeCWFe33未反應(yīng)的未反應(yīng)的Fe以以-Fe形式保存下來形式保存下來 Ti幾乎出現(xiàn)在所有的界面反應(yīng)產(chǎn)物中，表明幾乎出現(xiàn)在所有的界面反應(yīng)產(chǎn)物中，表明Ti參參與了界面反應(yīng)的各個(gè)過程。在與了界面反應(yīng)的各個(gè)過程。在Al2O3-TiC/W18Cr4V擴(kuò)散連接過程中，擴(kuò)散連接過程中，Ti是界面反應(yīng)的主控元素是界面反應(yīng)的主控元素。4 4、擴(kuò)散界面的結(jié)合強(qiáng)度、擴(kuò)散界面的結(jié)合強(qiáng)度(1)(1)加熱溫度加熱溫度溫度提高溫度提高界面擴(kuò)散反應(yīng)充分，接頭強(qiáng)度提高。界面擴(kuò)散反應(yīng)充分，接頭強(qiáng)度提高。溫度過高溫度過高使陶瓷的性能發(fā)生變化，出現(xiàn)脆性相使陶瓷的性能發(fā)生變化，出現(xiàn)脆性相

9、(2)(2)保溫時(shí)間保溫時(shí)間2/10tBb(3)(3)壓力壓力 為了使接觸面處產(chǎn)生微觀塑性變形，減小表面不平整和為了使接觸面處產(chǎn)生微觀塑性變形，減小表面不平整和破壞表面氧化膜，增加表面接觸面積，為原子擴(kuò)散提供條破壞表面氧化膜，增加表面接觸面積，為原子擴(kuò)散提供條件。件。(4)(4)表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙會(huì)在陶瓷中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而引起脆性破壞表面粗糙會(huì)在陶瓷中產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而引起脆性破壞(5)(5)連接環(huán)境連接環(huán)境 避免了避免了O O、H H等參與界面反應(yīng)，有利于提高接頭的強(qiáng)度等參與界面反應(yīng)，有利于提高接頭的強(qiáng)度陶瓷與金屬在化學(xué)鍵型、微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性陶瓷與金屬在化學(xué)鍵型、微觀

10、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性能等方面存在極大的差異，采用常規(guī)的方法是很難講它能等方面存在極大的差異，采用常規(guī)的方法是很難講它們連接在一起并滿足使用要求的。這主要表現(xiàn)在：們連接在一起并滿足使用要求的。這主要表現(xiàn)在：1 1、陶瓷與金屬的鍵型不同，連接時(shí)存在鍵型的轉(zhuǎn)換和、陶瓷與金屬的鍵型不同，連接時(shí)存在鍵型的轉(zhuǎn)換和匹配問題，難以實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接匹配問題，難以實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接2 2、陶瓷與金屬的熱脹差異很大，連接后容易產(chǎn)生很大、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(qiáng)度接頭的殘余應(yīng)力，難以獲得高強(qiáng)度接頭3 3、陶瓷的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)電性差，抗熱沖擊能力弱，潤(rùn)、陶瓷的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)電

11、性差，抗熱沖擊能力弱，潤(rùn)濕性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。濕性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。陶瓷與金屬之間的連接方法，包括機(jī)械連接、粘接和焊接。陶瓷與金屬之間的連接方法，包括機(jī)械連接、粘接和焊接。常用的焊接方法主要有釬焊連接、擴(kuò)散連接、電子束焊、激常用的焊接方法主要有釬焊連接、擴(kuò)散連接、電子束焊、激光焊等。光焊等。coslglssglgcoslssglssg潤(rùn)濕的基本條件gagahlssg2cos2lg lssg三種連接方法特征對(duì)比三種連接方法特征對(duì)比揚(yáng)中市金星焊料有限公司之銅磷釬料揚(yáng)中市金星焊料有限公司之銅磷釬料釬焊帶釬焊帶 真空釬焊系統(tǒng)真空釬焊系統(tǒng)鋁釬焊爐鋁釬焊爐

12、在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料在陶瓷上良好的潤(rùn)濕性能在陶瓷與金屬的釬焊連接中，釬料在陶瓷上良好的潤(rùn)濕性能是實(shí)現(xiàn)有效冶金連接的前提。根據(jù)改善潤(rùn)濕性的不同，分為是實(shí)現(xiàn)有效冶金連接的前提。根據(jù)改善潤(rùn)濕性的不同，分為兩類：兩類：間接釬焊，間接釬焊，即先對(duì)陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理，再使用常規(guī)釬即先對(duì)陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理，再使用常規(guī)釬料連接；料連接；直接釬焊，直接釬焊，即直接采用含有活性金屬元素的釬料焊接即直接采用含有活性金屬元素的釬料焊接一、間接釬焊一、間接釬焊1 1、陶瓷表面的金屬化方法、陶瓷表面的金屬化方法- Mo-MnMo-Mn法法- 蒸發(fā)金屬化法蒸發(fā)金屬化法- 濺射金屬化法濺射金屬化法- 離子注

13、入法離子注入法- 熱噴涂法熱噴涂法Mo-Mn法法 19世紀(jì)世紀(jì)30年代發(fā)展起來的，是現(xiàn)代陶瓷金屬化的基礎(chǔ)。年代發(fā)展起來的，是現(xiàn)代陶瓷金屬化的基礎(chǔ)。 工藝過程為：將工藝過程為：將MnO2與與Mo的粉末用粘接劑粘到陶瓷表的粉末用粘接劑粘到陶瓷表面，在面，在10001800的的N2或或H2中燒結(jié)，表面形成玻璃相，同中燒結(jié)，表面形成玻璃相，同時(shí)部分金屬氧化物還原，產(chǎn)生金屬表面層。為改善釬料對(duì)金時(shí)部分金屬氧化物還原，產(chǎn)生金屬表面層。為改善釬料對(duì)金屬化層的潤(rùn)濕性，可在金屬化層上鍍鎳，最后用銀屬化層的潤(rùn)濕性，可在金屬化層上鍍鎳，最后用銀-銅釬料將銅釬料將鍍鎳層與金屬母材釬焊起來。鍍鎳層與金屬母材釬焊起來。2

14、、陶瓷與金屬間接真空釬焊時(shí)對(duì)釬料的要求、陶瓷與金屬間接真空釬焊時(shí)對(duì)釬料的要求 釬料中不含有飽和蒸汽壓高的化學(xué)元素，如釬料中不含有飽和蒸汽壓高的化學(xué)元素，如Zn、Cd、Mg等，以免在釬焊過程中這些化學(xué)元素污染電子器件或造成電等，以免在釬焊過程中這些化學(xué)元素污染電子器件或造成電介質(zhì)漏電。介質(zhì)漏電。 釬料的含氧量不能超過釬料的含氧量不能超過0.001%，以免在氫氣中釬焊時(shí)生成，以免在氫氣中釬焊時(shí)生成水汽。水汽。 釬焊接頭要有較好的松弛性，能最大限度地減小由陶瓷與釬焊接頭要有較好的松弛性，能最大限度地減小由陶瓷與金屬線脹系數(shù)差異而引起的熱應(yīng)力。金屬線脹系數(shù)差異而引起的熱應(yīng)力。3 3、陶瓷金屬化釬焊工藝

15、、陶瓷金屬化釬焊工藝二、直接釬焊二、直接釬焊過渡金屬主要有離子鍵和共價(jià)鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電過渡金屬主要有離子鍵和共價(jià)鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，要使陶瓷表面被金屬鍵的金屬釬料潤(rùn)濕，在釬料子配位，要使陶瓷表面被金屬鍵的金屬釬料潤(rùn)濕，在釬料和陶瓷之間必須要有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通過反應(yīng)陶瓷表面分和陶瓷之間必須要有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通過反應(yīng)陶瓷表面分解形成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附機(jī)制，才能形成強(qiáng)的界面結(jié)合解形成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附機(jī)制，才能形成強(qiáng)的界面結(jié)合。過渡金屬具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，這些元素對(duì)氧化物、硅過渡金屬具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，這些元素對(duì)氧化物、硅酸鹽等有較大的親和力，可通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成酸鹽等有較大

16、的親和力，可通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層。反應(yīng)層。反應(yīng)層主要由金屬與陶瓷的復(fù)合物相組成，表現(xiàn)出與金反應(yīng)層主要由金屬與陶瓷的復(fù)合物相組成，表現(xiàn)出與金屬相同的微觀結(jié)構(gòu)，可被熔化金屬潤(rùn)濕，從而達(dá)到與金屬屬相同的微觀結(jié)構(gòu)，可被熔化金屬潤(rùn)濕，從而達(dá)到與金屬連接的目的。連接的目的。1 1、活性釬料、活性釬料在在Au、Ag、Cu、Ni等系統(tǒng)的釬料中加入活性金屬后，制成等系統(tǒng)的釬料中加入活性金屬后，制成活性釬料。活性釬料?；钚遭F料通常以活性釬料通常以Ti作為活性元素。作為活性元素。活性金屬的化學(xué)活性很強(qiáng)，釬焊時(shí)對(duì)活性元素的保護(hù)是很重活性金屬的化學(xué)活性很強(qiáng)，釬焊時(shí)對(duì)活性元素的保護(hù)是很重要的，這些元素一旦被氧化后就不能再與陶瓷發(fā)生反應(yīng)。因要的，這些元素一旦被氧化后就不能再與陶瓷發(fā)生反應(yīng)。因此，活性金屬法釬焊一般是在此，活性金屬法釬焊一般是在10-2Pa的真空或惰性保護(hù)氣氛中的真空或惰性保護(hù)氣氛中進(jìn)行的。進(jìn)行的