陶瓷-金屬焊接工藝的研究進(jìn)展

陶瓷-金屬焊接工藝的研究進(jìn)展

0復(fù)合構(gòu)件的制備方法陶瓷材料具有優(yōu)異的耐耐性、耐腐蝕性、低密度、耐絕緣性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于汽車、軍隊(duì)、電子、航空和其他領(lǐng)域。然而陶瓷塑性差、脆性高的特點(diǎn)一方面造成了形狀復(fù)雜的陶瓷零件加工成型困難,另一方面決定了其在單獨(dú)使用過程中抵抗熱應(yīng)力和沖擊載荷的能力差。根據(jù)使用要求選擇有效的連接方法,將陶瓷與金屬連接起來獲得陶瓷-金屬復(fù)合構(gòu)件,能把二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,充分發(fā)揮陶瓷材料的優(yōu)異性能并拓寬其應(yīng)用范圍。陶瓷與金屬的連接方法主要分為機(jī)械連接、粘接和焊接。目前用于連接陶瓷和金屬的機(jī)械連接方法主要包括栓接和熱套,但這兩種方法均有很大的局限性。栓接需要在陶瓷上鉆孔,加工難度大,且接頭缺乏氣密性;熱套則會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,且為保證有效的氣密性連接件工作溫度不能過高。粘接操作簡單,接頭氣密性好,但強(qiáng)度通常較低,且不適合在高溫下使用,長期使用時(shí)接頭性能還會(huì)隨粘接劑的老化而下降。與上述兩種方法相比,焊接接頭強(qiáng)度高,耐高溫,又能保證一定的氣密性,且對連接件幾何形狀和尺寸要求不高,適用范圍更廣。因此,陶瓷-金屬焊接方法的研究已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。1陶瓷-金屬焊接焊接用于連接金屬已經(jīng)相當(dāng)成熟。然而由于陶瓷與金屬性質(zhì)上的巨大差異,常規(guī)的焊接方法并不適用于二者的連接。陶瓷與金屬化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)的根本不同以及陶瓷本身特殊的物理化學(xué)性質(zhì)決定了陶瓷與金屬的焊接存在以下的特點(diǎn)和難點(diǎn):(1)陶瓷通常很難被熔化的金屬潤濕;(2)陶瓷與絕大多數(shù)金屬的熱脹系數(shù)差大,通過加熱連接陶瓷與金屬時(shí),接頭中易產(chǎn)生殘余應(yīng)力,削弱了接頭的力學(xué)性能;(3)陶瓷熱導(dǎo)率低,耐熱沖擊能力弱,集中加熱易產(chǎn)生裂紋,故應(yīng)減小焊接區(qū)域的溫度梯度,并控制加熱和冷卻速度;(4)陶瓷熔點(diǎn)高,硬度和強(qiáng)度高,不易變形,擴(kuò)散連接時(shí)要求被連接體表面非常平整清潔;(5)大部分陶瓷導(dǎo)電性很差或基本不導(dǎo)電,很難采用電焊方法連接。歸結(jié)到陶瓷-金屬焊接中的兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是改善金屬在陶瓷表面的潤濕;二是緩解焊接接頭的殘余應(yīng)力。目前解決第一個(gè)問題主要依靠陶瓷表面金屬化或在普通釬料中添加活性元素;第二個(gè)問題則主要采用添加中間層的辦法,既可以是塑性中間層,也可以是熱脹系數(shù)與陶瓷相適應(yīng)的中間層。2熱壓方法下的連接幾十年來,人們相繼研究了多種陶瓷-金屬焊接方法。在這些方法中,較為成熟的是釬焊和擴(kuò)散連接,此外還有過渡液相連接、自蔓延高溫合成連接、熱壓反應(yīng)燒結(jié)連接、摩擦焊等。2.1活性焊接工藝在陶瓷與金屬的釬焊連接中,釬料在陶瓷上良好的潤濕性能是實(shí)現(xiàn)有效冶金連接的前提。根據(jù)改善潤濕性的不同,陶瓷與金屬的釬焊可分為兩類:一類是先對陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理,再使用常規(guī)釬料連接,稱為間接釬焊;另一類是直接采用含有活性金屬元素的釬料進(jìn)行連接,又稱為直接釬焊或活性釬焊。用于陶瓷表面預(yù)金屬化的方法主要有Mo-Mn法、化學(xué)鍍、氣相沉積和離子注入等。Mo-Mn法提出較早,是現(xiàn)代陶瓷金屬化的基礎(chǔ)。其一般工藝過程為:將MnO2與Mo的粉末用粘接劑粘到陶瓷表面,在1000～1800°的N2或H2中燒結(jié),表面形成玻璃相,同時(shí)部分金屬氧化物被還原,產(chǎn)生金屬表面層,最后在表面涂上一層金屬(常用鎳)。Mo-Mn法由于耗時(shí)耗能,目前很少采用。化學(xué)鍍也成功用于陶瓷表面的金屬化。張永清等用化學(xué)鍍的方法在Al2O3陶瓷表面鍍Ni,厚度約48μm,然后在輝光釬焊爐中用Ag-Cu釬料與Q235鋼釬焊連接,接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到了78MPa。氣相沉積法包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和等離子反應(yīng)法。對于AIN、SiC等非氧化物陶瓷與金屬的連接,大多采用PVD法。文獻(xiàn)介紹了一種應(yīng)用脈沖等離子束和PVD法對Al2O3陶瓷預(yù)金屬化表面改性的方法,5次脈沖后陶瓷表面形成納米尺度厚度的TiOx膜,再用PVD法沉積約2μm厚的Ti2()或金屬Ti;改性后的Al2O3陶瓷在初始壓力為10-4Pa的真空爐中采用AgCu28合金釬料與可閥合金釬焊連接,接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)90MPa。朱勝等研究了用射頻濺射薄膜改善AIN陶瓷與金屬連接性的方法:用射頻濺射法將Ti、Al沉積到AIN表面,然后在真空爐中用厚度為0.1mm的CBl料(AgCu19.5Ti3In5)釬焊連接AIN(Ti膜)-Cu、AIN(AI膜)-Cu;加壓所配質(zhì)量20g,溫度1173K,保溫20min,接頭的平均剪切強(qiáng)度分別達(dá)到120MPa和127MPa。與相同工藝條件下未經(jīng)表面改性的Al/CBl/Cu釬焊相比,強(qiáng)度提高了30MPa以上。相同工藝下采用相同釬料連接AlN陶瓷與FeNi42,接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到了176MPa?；钚遭F焊不需對陶瓷表面預(yù)金屬化,工藝過程相對簡單。采用活性釬焊時(shí),釬料中最常添加的活性元素是Ti,其次是Zr、V、Cr等。釬焊過程中,活性元素與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層。一方面反應(yīng)層中的反應(yīng)產(chǎn)物大都具有與金屬相同或相似的結(jié)構(gòu),可以被熔化的金屬潤濕;另一方面界面反應(yīng)在金屬釬料與陶瓷間形成新的化學(xué)鍵,強(qiáng)化了二者間的冶金接合。由于活性元素化學(xué)性質(zhì)活躍,高溫下易與空氣中的氧氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此活性釬焊通常在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。以純度99%的A12O3陶瓷與純金屬Ni的釬焊為例,采用Ni51Ti49合金釬料(熔點(diǎn)約1240℃),在真空度為2×10-3Pa、溫度為1270～1300℃的真空爐中釬焊,保溫20min,釬焊完成后樣品隨爐冷卻至室溫。X射線分析表明,反應(yīng)界面上形成了TiO相和Ti2O相。表1列出了一些陶瓷與金屬活性釬焊連接工藝參數(shù)和接頭強(qiáng)度的測試結(jié)果,可見釬料和工藝參數(shù)的選擇對接頭強(qiáng)度具有重要影響。為緩解因接頭的殘余應(yīng)力,提高接頭強(qiáng)度,多采用添加中間層或?qū)缚p采取強(qiáng)化措施的辦法。朱定一等研究了在Al2O3陶瓷與金屬Ni之間加入一層金屬M(fèi)o網(wǎng)對釬焊接頭強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)金屬網(wǎng)的加入對釬料凝固收縮應(yīng)力有分割相消的作用,焊接強(qiáng)度比無金屬網(wǎng)時(shí)提高了50%以上。2.2金融線段連接擴(kuò)散連接通常是指熱壓擴(kuò)散連接,是固相連接的一種方式,可分為無中間層的直接擴(kuò)散連接和有中間層的間接擴(kuò)散連接。為緩解因陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)差異引起的殘余應(yīng)力及控制界面反應(yīng),連接陶瓷與金屬時(shí)一般都采用有中間層的間接擴(kuò)散連接。連接過程中,陶瓷與金屬的連接表面在一定的高溫和壓力作用下相互靠近,金屬局部發(fā)生塑性變形,二者接觸面積增加,原子間發(fā)生相互擴(kuò)散,從而形成冶金接合。影響擴(kuò)散連接的參數(shù)主要有溫度、壓力、時(shí)間、氣體介質(zhì)、母材表面狀態(tài)和中間層的選擇等,其中最主要的是溫度、壓力和時(shí)間。溫度影響被焊材料的屈服強(qiáng)度和原子擴(kuò)散行為,對消除孔隙起著決定性的作用,通?？刂茷?.6～0.8Tm,(Tm,為受焊母材和反應(yīng)生成物中熔點(diǎn)最低者的熔點(diǎn))。所需壓力通常保持在稍低于所選溫度下的屈服應(yīng)力,一般為3～10MPa。形成接頭所需保溫時(shí)間與接頭的組織和成分的均勻化密切相關(guān),主要取決于連接材料的冶金特性及焊接時(shí)的溫度和壓力。表2列舉了熱壓擴(kuò)散連接陶瓷與金屬的一些實(shí)例。2.3復(fù)合中間層材料的設(shè)計(jì)在釬焊和擴(kuò)散連接中,為獲得高溫性能良好的接頭,勢必要采用高熔點(diǎn)釬料或中間層并提高焊接溫度,但過高的溫度會(huì)增加接頭熱應(yīng)力,并有可能破壞母材的組織和性能。過渡液相連接提供了一種在較低溫度下獲得良好高溫性能接頭的途徑。連接過程中,中間層并不完全熔化,只出現(xiàn)一薄層液相,在隨后的保溫過程中,液態(tài)低熔點(diǎn)相逐漸被消耗轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)高熔點(diǎn)相,從而完成連接,因而又被稱為局部過渡液相(PTLP)連接。由于陶瓷中的擴(kuò)散比較困難,因此低熔點(diǎn)相的消耗很難靠陶瓷來進(jìn)行,一般都用多層復(fù)合中間層來實(shí)現(xiàn)。連接的關(guān)鍵是復(fù)合中間層材料的設(shè)計(jì)。復(fù)合中間層由2層以上熔點(diǎn)和活性不同的金屬或合金組成,且必須滿足以下條件:(1)在較低的連接溫度下,能夠通過低熔點(diǎn)層的熔化或復(fù)合層之間的相互反應(yīng)形成一薄層液相,且該液相能與陶瓷反應(yīng)形成牢固的結(jié)合界面;(2)在連接溫度下,薄層液相能與高熔點(diǎn)層相互快速擴(kuò)散并形成以高熔點(diǎn)層原始成分為主的均勻組織;(3)接頭的焊縫組織熔點(diǎn)比連接溫度高且高溫性能好。楊敏等采用Nb/Cu/Ni復(fù)合中間層,在真空爐中連接Si3N4陶瓷與Inconel600Ni基高溫合金(1130℃下保溫50min,連接壓力5MPa),接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到87MPa。2.4梯度焊料表面活性劑自蔓延高溫合成(SHS)是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱來制備材料的新技術(shù),其反應(yīng)體系一般為強(qiáng)放熱體系,原料坯體一經(jīng)點(diǎn)燃,不需外界能量就可以依靠自身放出的熱量將反應(yīng)維持下去。陶瓷-金屬自蔓延高溫合成連接以SHS反應(yīng)放熱為熱源,并由反應(yīng)的產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)二者的連接。焊接時(shí)可利用反應(yīng)原料(配制的梯度焊料)在焊縫合成功能梯度材料(FGM),從而有效克服母材間化學(xué)性能、物理性能及機(jī)械性能的不匹配;可在反應(yīng)物中添加增強(qiáng)相如增強(qiáng)粒子、短纖維、晶須等,形成復(fù)合焊料。文獻(xiàn)中用含Ti、Ni、C粉的簡化梯度焊料焊接了SiC陶瓷與GH128Ni基高溫合金,焊接區(qū)域界面結(jié)合良好,焊料與受焊母材之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散。何代華等采用Ti、B、Fe粉不同比例的混合焊料,在放電等離子燒結(jié)(SPS)爐中連接TiB2和金屬Fe,確定最佳焊接溫度為1000℃,焊接壓力為30MPa,焊接過程中真空度應(yīng)優(yōu)于6MPa。隨中間焊料層Fe的增加,反應(yīng)生成物中TiB2的含量將會(huì)減少,并有TiB生成,界面結(jié)合較好。SHS法的顯著特點(diǎn)是能耗低,生產(chǎn)效率高,對母材熱影響小,通過合理設(shè)計(jì)反應(yīng)產(chǎn)物還可以降低接頭應(yīng)力。但燃燒反應(yīng)可能引入氣體和其它雜質(zhì),易于產(chǎn)生氣孔等缺陷,因此最好在保護(hù)氣氛下連接并適當(dāng)加壓。目前主要存在的問題是反應(yīng)速度太快,不利于控制接頭部位的組織和性能。2.5復(fù)合焊料的界面反應(yīng)熱壓反應(yīng)燒結(jié)連接是利用粉末材料作為焊料,在熱壓作用下,使焊料與母材在界面處發(fā)生相互擴(kuò)散和界面反應(yīng),實(shí)現(xiàn)界面的冶金結(jié)合,同時(shí)焊料本身也實(shí)現(xiàn)致密化,或兼發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)母材的連接?？刂坪附訙囟?使焊料產(chǎn)生一定的液相,并在界面發(fā)生反應(yīng)是焊接的必要條件,但出現(xiàn)的液相不能過多;界面反應(yīng)主要通過焊料中金屬元素向陶瓷中的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn);焊縫區(qū)焊料中產(chǎn)生的細(xì)小孔洞能有效緩解焊接殘余熱應(yīng)力。段輝平等用Ti-Ni-Al金屬復(fù)合焊料粉末,在Gleeble1500熱模擬機(jī)上以自阻加熱方式熱壓反應(yīng)燒結(jié)連接SiC陶瓷和GH128鎳基高溫合金,焊接溫度600C時(shí)焊接強(qiáng)度為72MPa(Φ10mm×50mm圓棒非標(biāo)準(zhǔn)試樣,四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度),達(dá)到了陶瓷強(qiáng)度值的80%。界面處形成了約1μm厚的成分過渡區(qū),這主要是因焊料中鋁原子向陶瓷中擴(kuò)散所引起的。微觀結(jié)構(gòu)分析表明,在界面反應(yīng)形成冶金結(jié)合的同時(shí),熔化的焊料可以滲透到陶瓷的開孔中,冷卻后形成機(jī)械咬合。2.6金屬膜覆蓋法—摩擦焊摩擦焊是連接陶瓷與金屬,使陶瓷和金屬焊件的待接表面相對高速旋轉(zhuǎn)、接觸并加壓摩擦,待金屬連接表面加熱至塑性狀態(tài)后停轉(zhuǎn),再施加較大的頂鍛力使陶瓷與金屬連接在一起。摩擦過程中,要求金屬必須能潤濕和粘附陶瓷,在實(shí)際接觸點(diǎn)形成粘附接點(diǎn)。隨著摩擦的進(jìn)行,這些接點(diǎn)或從界面或從金屬側(cè)界面附近被切斷。這時(shí),金屬碎片遷移到陶瓷表面,并在極短的時(shí)間內(nèi)形成完全覆蓋陶瓷表面的金屬膜。金屬膜形成滯止層,摩擦平面沿軸向移到金屬上,使摩擦變?yōu)樵趦蓚€(gè)金屬表面之間進(jìn)行,最終在摩擦面上形成增塑層。增塑層的位置與厚度取決于摩擦速度和軸向壓力。大部分熱量是由金屬在增塑層上攪拌時(shí)產(chǎn)生的。生產(chǎn)效率高是這種方法的顯著特點(diǎn),一般可在幾秒鐘內(nèi)完成連接。但該方法僅限于圓棒、管件的焊接,尤其要求金屬和陶瓷間能夠潤濕,因此應(yīng)用范圍很有限。目前這種方法已實(shí)現(xiàn)了ZrO2陶瓷與鋁合金的連接,接頭的剪切強(qiáng)度平均在20～50MPa之間。3研發(fā)活性焊接、擴(kuò)散連接在現(xiàn)有設(shè)備中的應(yīng)用,后將發(fā)展到更高的設(shè)備除以上介紹的外,用于陶瓷-金屬焊接的其它方法還有高能束焊、場助擴(kuò)散連接、超聲連接以及氣體-金屬共晶法等?；钚遭F焊是最常用的方法,應(yīng)用范圍也最廣。但當(dāng)接合面較大或釬焊溫度受限時(shí),焊接前仍需要對陶瓷進(jìn)行表面金屬化處理,且預(yù)金屬化處理的間接釬焊法更適合規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。此外,活性釬料的成本和耐蝕性也是亟待解決的問題。擴(kuò)散連接更有利于接頭的耐高溫和耐腐蝕性能,但所需設(shè)備復(fù)雜.成本也較高,對連接表面要求高,連接溫度高、時(shí)間長,且僅適合體積小、形狀簡單的零件。釬焊和擴(kuò)散連接最成熟,但其共同缺點(diǎn)是連接溫度都較高,焊接中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也很大,