陶瓷_金属的连接技术
【精品文章】简述陶瓷材料与金属材料的连接工艺
简述陶瓷材料与金属材料的连接工艺
特种陶瓷材料虽然具有优异的绝缘(大部分陶瓷)、耐高温、抗腐蚀性能及耐磨性能，但其脆性大，加工性能很差难以制备出大型或者是形状复杂的结构件。
金属材料具有优良的室温强度、韧性、导电性和导热性，与陶瓷材料在性能上形成了一种明显的互补关系。
使用连接技术将两种材料可靠的结合起来，就可以充分利用各自的优良性能，制造出满足要求的复杂构件。
贴片式陶瓷气体放电三极管--电源保护、信号保护等
一、陶瓷与金属连接的特点与难点
但由于陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的难题。
其主要体现在如下两个问题，其一：陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，金属材料则主要是由金属键构成，二者几乎不浸润，因此需要考虑陶瓷与金属材料的润湿性问题，其二：两者的线膨胀系数一般相差较大，当采用热封或者机械连接时，陶瓷与金属的接头处会有较大的应力残留，削弱接头的力学性能甚至使接头受到破坏开裂，因此需考虑结头处的热应力缓解问题。
二、陶瓷与金属的连接方法
随着陶瓷材料的发展，人们也不断的探索可靠的陶瓷与金属的连接方法来提高先进陶瓷材料的应用范围，下文将为大家简单介绍一些的陶瓷与金属的连接技术。
陶瓷与金属的连接技术
陶瓷与金属的连接技术1. 引言陶瓷和金属是两种不同性质的材料，它们在物理、化学和力学特性上存在明显差异。
由于这种差异，将陶瓷与金属进行有效连接是一个具有挑战性的任务。
然而，随着科技的发展和工程需求的增加，陶瓷与金属之间的连接技术变得越来越重要。
本文将介绍几种常见的陶瓷与金属连接技术，并对其优缺点进行探讨。
2. 黏结剂连接黏结剂连接是一种常见且简单的方法，用于将陶瓷与金属材料连接在一起。
该方法通过使用黏合剂或粘合剂来实现连接。
黏结剂可以是有机或无机材料，如环氧树脂、聚酰亚胺等。
2.1 优点•黏结剂连接方法简单易行。
•可以实现大面积接触。
•黏结剂具有一定的柔韧性，可以缓解因材料差异而引起的应力集中问题。
2.2 缺点•黏结剂连接的强度受到黏结剂本身性能的限制。
•黏结剂可能会受到温度、湿度等环境因素的影响而失效。
•黏结剂连接需要进行精确的表面处理和涂覆工作，增加了制造成本和复杂度。
3. 焊接连接焊接是一种常用的金属连接技术，它也可以用于将陶瓷与金属材料连接在一起。
在焊接过程中，通过加热和冷却来实现材料之间的结合。
3.1 激光焊接激光焊接是一种高能量密度焊接方法，适用于陶瓷与金属之间的连接。
激光束可以在非常短的时间内加热材料，从而实现快速焊接。
3.1.1 优点•激光焊接可以实现高强度连接。
•焊接区域小，对周围区域影响小。
•可以实现高精度、无损伤的焊接。
3.1.2 缺点•激光设备昂贵且操作复杂。
•对材料表面质量要求较高。
•需要进行精确的焊接参数控制。
3.2 电子束焊接电子束焊接是一种利用高速电子束加热材料并实现连接的方法。
它可以在真空或低压环境下进行，适用于陶瓷与金属之间的连接。
3.2.1 优点•电子束焊接可以实现高强度连接。
•焊接区域小，对周围区域影响小。
•可以实现高精度、无损伤的焊接。
3.2.2 缺点•电子束设备昂贵且操作复杂。
•对材料表面质量要求较高。
•需要进行精确的焊接参数控制。
4. 氧化铝陶瓷与金属连接技术氧化铝陶瓷是一种常见的工程陶瓷材料，具有优异的耐磨、耐腐蚀和绝缘性能。
陶瓷和金属焊接方法
陶瓷和金属焊接方法：1、烧结金属粉末法原理：在特定的温度和气氛中，先将陶瓷表面进行金属化处理，使得瓷件带有金属性质，再用熔点比母材低的钎料将金属化后的瓷件与金属进行连接。
其核心思路是将陶瓷与金属的封接转变为金属与金属的封接，从而降低工艺难度。
步骤：包括清洗、涂膏、金属化、镀镍、装架和钎焊等步骤。
在金属化过程中，陶瓷表面会涂上一层金属粉末，并在高温下烧结形成涂层。
随后，通过钎焊将金属化的陶瓷与金属连接起来。
注意事项：在烧结金属粉末法工艺中，最大的问题是钎料无法润湿陶瓷表面，这可能会阻碍后续的金属与陶瓷的封接过程。
为了解决这个问题，科学家们尝试了多种方法，如预金属化采取活化Mo-Mn法、二次金属化采取镀Ni处理，并使用Ag72Cu28钎料在800℃左右温度下进行钎焊。
2、陶瓷基板直接覆铜法（DBC）原理：基于Al2O3陶瓷基板的一种金属化技术。
具体过程是将陶瓷基板与无氧铜置于高温和一定的氧分压条件下，使Cu表面氧化生成一层Cu2O共晶液相薄层，润湿Al2O3陶瓷和Cu。
当加热温度高于共晶温度且低于Cu熔化温度时，液相中Cu2O与Al2O3发生化学反应，在铜与陶瓷之间形成一层很薄的过渡层，实现金属与陶瓷的连接。
应用：AlN陶瓷基板敷铜是基于DBC工艺发展起来的，具有更高的导热性和优良的电绝缘性，广泛应用在新型的半导体封装材料上。
3、钎焊连接原理：利用陶瓷/金属母材之间的钎料在高温下熔化，其中的活性组元与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应梯度层，将两种材料结合在一起。
特点：钎焊连接是一种常用的陶瓷与金属连接方法，具有工艺简单、成本低廉等优点。
但需要注意的是，由于陶瓷与金属的热膨胀系数差异较大，钎焊过程中可能会产生较大的热应力，导致焊接接头开裂。
4、固相压力扩散焊原理：在较高温度和一定外力作用下，使陶瓷-金属表面紧密接触，金属母材发生一定的塑性变形，便于原子的扩散，促使两种材料结合在一起。
特点：固相压力扩散焊能够形成高质量的焊接接头，但设备投资较大，且对焊接工艺要求较高。
陶瓷与金属钎焊的方法、钎料和工艺
陶瓷钎焊陶瓷与金属的连接是20世纪30年代发展起来的技术,最早用于制造真空电子器件,后来逐步扩展应用到半导体、集成电路、电光源、高能物理、宇航、化工、冶金、仪器与机械制造等工业领域。
陶瓷与金属的连接方法比较多,如钎焊、扩散焊、熔焊及氧化物玻璃焊料连接法等,其中钎焊法是获得高强度陶瓷/金属接头的主要方法之一。
钎焊法又分为金属化工艺法和活性钎料法。
我国于50年代末才开始研究陶瓷—金属连接技术,60年代中便掌握了金属化工艺法(活化Mo-Mn法)和活性钎焊法,推动了陶瓷/金属钎焊用材料及其钎焊工艺的发展。
常用的金属和陶瓷钎焊方法常用的钎焊方法有陶瓷表面金属化法和活性金属法金属和陶瓷钎焊工艺陶瓷与被连接金属的热膨胀系数相差悬殊，导致钎焊后使接头内产生较高的残余应力, 而且局部地方还存在应力集中现象,极易造成陶瓷开裂。
为降低残余应力, 必须采用一些特殊的钎焊工艺路线。
①合理选择连接匹配材料；②利用金属件的弹性变形减小应力;③避免应力集中；④尽量选用屈服点低, 塑性好的钎料；⑤合理控制钎焊温度和时间；⑥采用中间弹性过渡层。
其中, 采用中间弹性过渡层的方法是研究和应用最多的方法之一, 采用中间弹性过渡层对降低残余应力的作用较大。
该方法采用陶瓷/ 钎料/ 中间过渡层/ 钎料/ 金属的装配形式进行钎焊, E 和σs 减小, 接头强度越高, 这说明较“软”的中间层能够有效地释放应力, 改善接头强度。
中间过渡层的热膨胀系数与Si3N4 接近固然有好处, 但如E 和σs 很高(如Mo 和W) , 不能缓和应力, 也就不能起到好的作用。
因此, 可以认为E 和σs 是选择中间过渡层的主要着眼点。
中间过渡层的选择应尽量满足下列条件: ①选择 E 和σs 较小的材料; ②中间过渡层与被连接材料的热膨胀系数差别要小; ③充分考虑接头的工作条件。
采用弹性过渡层的陶瓷连接方法的缺点是接头强度不高, 原因是有效钎接面积小。
但这种低应力或无应力接头具有良好的使用性能, 其优点是在热载荷下产生较低的热应力, 接头耐热疲劳, 抗热冲击性能好。
陶瓷与金属的焊接方法大全，深度解析，值得收藏
陶瓷与⾦属的焊接⽅法⼤全，深度解析，值得收藏 Ti(C，N)基⾦属陶瓷是⼀种颗粒型复合材料，是在TiC基⾦属陶瓷的基础上发展起来的新型⾦属陶瓷。
Ti(C，N)基⾦属陶瓷具有⾼硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等⼀系列优良综合性能，在加⼯中显⽰出较⾼的红硬性和强度，它在相同硬度时耐磨性⾼于WC Co硬质合⾦，⽽其密度却只有硬质合⾦的1/2。
因此，Ti(C，N)基⾦属陶瓷⼑具在许多加⼯场合下可成功地取代WC基硬质合⾦⽽被⼴泛⽤作⼯具材料，填补了WC基硬质合⾦和Al2O3陶瓷⼑具材料之间的空⽩。
我国⾦属钴资源较为贫乏，⽽作为⼀种战略性贵重⾦属，近年来钴的价格持续上扬，因此，Ti(C，N)基⾦属陶瓷⼑具材料的研制开发和⼴泛应⽤，不仅可推动我国硬质合⾦材料的升级换代，⽽且在提⾼国家资源保障程度⽅⾯也具有重要的意义。
常⽤的连接陶瓷与⾦属的焊接⽅法有真空电⼦束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等。
在这些连接⽅法中，钎焊、扩散焊连接⽅法⽐较成熟、应⽤较⼴泛，过渡液相连接等新的连接⽅法和⼯艺正在研究开发中。
本⽂在总结各种陶瓷与⾦属焊接⽅法的基础上，对⾦属陶瓷与⾦属的焊接技术进⾏初步探讨，在介绍各种适⽤于⾦属陶瓷与⾦属焊接技术⽅法的同时，指出其优缺点和有待研究解决的问题，以期推动⾦属陶瓷与⾦属焊接技术的研究，进⽽推⼴这种先进⼯具材料在⼯业领域的应⽤。
1 熔化焊 熔化焊是应⽤最⼴泛的焊接⽅法，该⽅法利⽤⼀定的热源，使连接部位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成⼀体。
焊接热源有电弧、激光束和电⼦束等。
⽬前Ti(C，N)基⾦属陶瓷熔化焊主要存在以下两个问题有待解决：⼀是随着熔化温度的升⾼，流动性降低，有可能促进基体和增强相之间化学反应(界⾯反应)的发⽣，降低了焊接接头的强度；另⼀问题是缺乏专门研制的⾦属陶瓷熔化焊填充材料。
1) 电弧焊 电弧焊是熔化焊中⽬前应⽤最⼴泛的⼀种焊接⽅法。
其优点是应⽤灵活、⽅便、适⽤性强，⽽且设备简单。
但该⽅法对陶瓷与⾦属进⾏焊接时极易引起基体和增强相之间的化学反应(界⾯反应)。
陶瓷-金属封装技术
陶瓷-金属封装技术
陶瓷-金属封装技术是一种将陶瓷和金属材料结合在一起，用
于封装电子元器件的技术。
该技术的主要目的是提供更好的电热性能、耐热性和机械强度，以满足高功率电子元器件的需求。
陶瓷-金属封装技术的主要步骤包括：
1. 材料准备：选取适合的陶瓷和金属材料，并进行加工和处理，以获得符合要求的形状和性能。
2. 材料组装：将陶瓷和金属部件进行组装，通常采用焊接、钎焊或黏合等方式进行。
3. 密封封装：通过包封或焊接等工艺，将组装好的陶瓷-金属
结构封装起来，形成一个完整的电子元器件。
4. 电性测试：对封装好的元器件进行电性能测试，以确保其符合设计要求。
5. 最终组装：将封装好的陶瓷-金属元器件和其他电子组件进
行最终组装，以完成目标产品。
陶瓷-金属封装技术主要应用于高功率电子元器件，如功率模块、散热器和射频电路等。
其主要优点包括高热传导性能、良好的机械强度、优异的电绝缘性能和耐高温性能。
总的来说，陶瓷-金属封装技术是一种重要的封装技术，能够
满足高功率电子元器件对性能和可靠性的要求，推动了电子技术的发展。
陶瓷与金属焊接的技术
一，概述陶瓷与金属的焊接中的陶瓷基本上指的是人工将各种金属、氧、氮、碳等合成的新型陶瓷。
其具有高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、超硬度等特性，而得到广泛应用;常用的有氧化铝、氮化硅、氧化错陶瓷等。
二，陶瓷与金属焊接的难点1,陶瓷的线膨胀系数小，而金属的线膨胀系数相对很大，导致接易开裂。
一般要很好处理金属中间层的热应力问题。
2,陶瓷本身的热导率低，耐热冲击能力弱。
焊接时尽可能减小焊接部位及周围的温度梯度，焊后控制冷却速度。
3,大部分陶瓷导电性差，甚至不导电，很难用电焊的方法。
为此需采取特殊的工艺措施。
4,由于陶瓷材料具有稳定的电子配位，使得金属与陶瓷连接不太可能。
需对陶瓷金属化处理或进行活性钎料钎焊。
5,由于陶瓷材料多为共价晶体，不易产生变形，经常发生脆性断裂。
目前大多利用中间层降低焊接温度，间接扩散法进行焊接。
6,陶瓷与金属焊接的结构设计与普通焊接有所区别，通常分为平封结构、套封结构、针封结构和对封结构，其中套封结构效果最好，这些接头结构制作要求都很高。
三，陶瓷与金属焊接的通用工艺1,清洗:金属和钎料的表面必须清洗干净，陶瓷常用洗净剂加超声清洗。
2,涂膏:膏剂大多由纯金属粉末和适当的金属氧化物粉末组成，颗粒度大都在l~5um之间，用有机粘结剂调制成具有一定粘度的膏剂。
然后用粉刷工具将膏剂均匀涂在陶瓷待金属化表面上，涂层厚度一般为30~60un‰3,金属化:将涂好膏剂伪陶瓷件送入氢炉中，在1300~1500°C的温度下保温Ih04,镀银:为了更好的钎料润湿，在金属化层上再电镀一层厚约5um的银层。
当钎焊温度低于IoOerC时，则电镀层还需在100OC氢炉中预烧结15~20min05,装架:把处理好的金属件和陶瓷件用不锈钢、石墨、陶瓷模具装配成整体，并在接缝处装上钎科;在整个操作过程中待焊接件应保持清洁，不得用裸手触摸。
6,钎焊:在通有氨气的炉中或通有氢气的炉中或真空炉中进行钎焊,其温度选择，升温速度选择等要根据所使用的钎料特性决定，特别注意的是降温速度不得过快，以防止陶觉件由于温度应力而开裂。
金瓷结合的机制
金瓷结合的机制1. 引言金瓷结合是一种将金属和陶瓷材料结合在一起的技术，通过金属和陶瓷的特性互补，实现了新材料的性能优化。
本文将详细介绍金瓷结合的机制，包括金瓷结合的原理、常见的金瓷结合方法以及金瓷结合材料的应用领域。
2. 金瓷结合的原理金瓷结合是通过金属和陶瓷之间的化学键和物理键结合来实现的。
金属和陶瓷具有不同的特性，金属具有良好的导电性、导热性和可塑性，而陶瓷具有优异的耐磨性、耐高温性和化学稳定性。
金瓷结合的原理可以概括为以下几点：•化学键结合：金属和陶瓷在界面处形成化学键，通过原子之间的电子共享或转移来实现结合。
这种化学键结合可以增强金瓷结合材料的力学性能和化学稳定性。
•物理键结合：金属和陶瓷在界面处形成物理键，通过原子之间的静电作用力、范德华力等相互作用来实现结合。
这种物理键结合可以提高金瓷结合材料的界面结合强度和耐磨性。
•界面相容性：金属和陶瓷之间的界面需要具有相容性，即界面处的晶格结构、热膨胀系数等物理特性要匹配。
如果界面相容性不好，会导致金瓷结合材料在使用过程中出现开裂、剥离等问题。
3. 常见的金瓷结合方法金瓷结合可以通过多种方法实现，下面介绍几种常见的金瓷结合方法：3.1 焊接结合焊接结合是将金属和陶瓷材料进行熔接，使它们在界面处形成结合。
常见的焊接结合方法有电弧焊、激光焊、等离子弧焊等。
焊接结合可以实现金属和陶瓷之间的高强度结合，但需要注意控制焊接温度和焊接过程中的气氛，以避免材料的烧结和氧化。
3.2 粘接结合粘接结合是将金属和陶瓷材料通过粘接剂进行结合。
粘接剂可以是有机胶、无机胶、金属粉末等。
粘接结合的优点是可以实现大面积的结合，并且可以在室温下进行。
但粘接结合的界面强度较低，容易受到外界环境的影响。
3.3 烧结结合烧结结合是将金属和陶瓷材料一起进行烧结，使它们在界面处形成结合。
烧结结合可以在高温下进行，通过烧结过程中的扩散和晶界迁移来实现结合。
烧结结合可以实现金属和陶瓷之间的高强度结合，但需要控制烧结温度和烧结时间，以避免材料的烧结不完全和晶粒长大过度。
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工艺材料本文2002202209收到,王申和谭惠民分别系北京理工大学讲师及教授;李淑华系军械工程学院副教授陶瓷2金属的连接技术王 申 李淑华 谭惠民 摘 要 介绍了陶瓷与金属连接的几种方法的机理及特点,重点讨论了对未来动力工程和先进发动机有重要意义的陶瓷与金属纳米复合粘接剂连接、钎焊连接、部分瞬间液相连接及自蔓延高温合成(SHS )连接。
主题词 陶瓷 金属 连接 粘合剂 焊接近年来,随着陶瓷材料的大规模研究开发,陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注[1]。
实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷的应用范围,尤其在航空航天领域,如飞行器及导弹关键部件的连接,但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料,相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异,特别是化学键差异较大,采用常规的焊接方法不能实现有效连接[2];因此,陶瓷2金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点[3]。
为探讨陶瓷与金属的连接机理,本文围绕陶瓷与金属的连接介绍几种主要方法及其性能。
1 粘合剂粘接连接粘接具有固化速度快、使用温度范围宽、抗老化性能好等特点,被用于飞机应急修理、炮射导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压气机转子等方面。
澳大利亚和美国自70年代以来就采用复合材料补片对损伤的飞机结构进行胶接修理,目前已成功地在多种飞机上得到了应用[4]。
国内,胶接技术的应用也比较广泛,其中在导弹发动机部位四周对称地粘上四块加强瓣,既保护了发动机壳体,又提高了导弹发射时的承载能力。
但这种技术要求胶粘剂可以室温固化、粘接强度高,既要耐冲击力,又要使加强瓣在导弹出炮口时便于分离。
文献[6]认为橡胶型的胶粘剂虽具有优良的耐冲击力,但抗剪切强度不高,胶层破坏时的变形能力大,有可能造成炮射导弹上粘接的四块加强瓣不能同时分离的危险。
因此,选取胺类固化剂加入不同的增韧剂,研究出在通用的环氧树脂中加入室温固化剂和两种液体橡胶共同增韧的配方,解决了炮射导弹上粘接加强瓣问题。
近年来,出现一种具有核壳结构的丙烯酸(PA )改性的聚氨酯(PU )胶乳粘合剂,由于其乳胶粒具有纳米级尺寸(50nm —100nm )和特殊的互穿网络的核壳双层结构,在粘接及固化过程中能渗透入金属表面晶相缝隙结构中,因此不仅对陶瓷与金属界面有较强的润湿渗透力、粘合力,而且对于外界能量冲击、剪切破坏具有较高的能量耗散效应,成为新一代阻尼型耐疲劳纳米复合材料粘合剂而越来越受航空飞行器制造业的关注。
一般地讲,陶瓷与金属采用胶接连接,界面作用为物理力、化学键。
化学粘接虽然较其它工艺如焊接得到的界面强度低,如:采用有机胶的接头强度小于150MPa ,采用无机胶连接强度小于10MPa [5],且允许的使用温度有一定的限制(一般低于200℃),但粘接技术用在修复上,周期短、工艺简单、修复效率高、成型性能好,因而在动力工程和航空工业中大多用于静载荷和超低静载荷及一次性零件。
2 熔焊氩弧焊(TIG ,M IG )作为应用范围广、使用成本低的理想焊接方法应用于铝合金焊接,取得了令人满意的焊接质量,但应用于陶瓷2金属的连接,目前尚未见报道,应用于铝基复合材料的焊接结果也很不理想。
其原因是:由于增强相与基体铝合金物理性能特别是熔点相差悬殊,给熔池温度控制带来困难;在高温下容易引起基体增强相间的界面反应,生成脆性化合物,降低接头使用性能[5,6];大量固相增强相存在于熔融液态基体中,使熔池的动力学状态与结晶方式变得复杂,同时产生大量夹渣、气孔、孔穴等缺陷。
以上原因严重制约着熔焊方法在陶瓷2金属、复合材料中的应用。
近几年来,随着研究的深入,人们提出了解决复合材料焊接的相应措施。
例如,从制造工艺上在纤维增强相表面添加一层覆盖层[8],在焊接工艺上则采用降低熔池热输入,同时添加一定的合金元素[9],对SiC2Al铝基复合材料焊前进行真空处理,可明显减少焊缝中气孔、裂缝缺陷,显著提高接头质量[9]。
采用高能束激光焊方法,利用高能束输入的特点,快速加热和冷却,配以氮气筛的冷却和温度场调节,诱导和改善复合材料增强相和基体界面反应,从而提高接头强度。
采用脉冲输入方式,可抑制界面反应,细化组织,减少缺陷,从而获得良好的接头,但在操作时对激光的功率控制非常重要[8]。
熔焊在某种条件下能够制造高温下稳定的复合材料接头,但难于形成面2面的陶瓷2金属连接,且设备投资昂贵。
3 钎焊利用陶瓷2金属母材之间的钎料在高温下熔化,其中的活性组元与陶瓷发生化学反应,形成稳定的反应梯度层,从而将两种材料结合在一起。
陶瓷与金属的钎焊要比金属间的钎焊连接复杂得多,这一点与化学粘合剂粘接较容易在界面润湿铺展开的现象有很大区别,因为陶瓷材料从根本上很难被钎料润湿,大多数钎料在接头上往往只形成球珠,很少产生或根本不产生润湿。
有文献介绍,在钎料中添加表面活性元素Si,Mg和Ti等可使其润湿性得到明显改善。
Ti,Zr,Hf,Pd等过渡族或稀有金属元素具有较强的化学活性,加至钎料中后在高温下对氧化物、硅酸盐具有亲和性,可和Cu,Ni,Ag,Au等一同制成陶瓷2金属焊接活性钎料。
活性钎料在两界面处可以产生机械或化学结合。
机械结合可以认为是钎料质粒嵌入或渗入陶瓷表层微孔区,而化学结合强度归结于钎料和基体间的物质转移和反应。
陶瓷界面上的反应会大大促进润湿性。
Ag2Cu2Ti三元钎料系列对大多数工程陶瓷表面有润湿性,在高温下伴随着液固界面的化学反应和传质扩散,从而在界面形成固溶体相和新化合物相。
活性钎焊中改善陶瓷2金属润湿性还可以采用提高润湿过程中的温度和使用涂层技术。
液态金属的表面能像其它液体一样,在一定范围内随温度升高而线性下降,从而使金属2陶瓷的接触角随温度升高而降低。
陶瓷经涂层或表面处理可以提高表面活性,用新形成的金属2陶瓷界面代替原来结合性不好的界面,从而提高润湿性。
陶瓷2金属钎焊的另一个基本问题是:二者的热膨胀系数相差悬殊,会引起界面残余应力,可能导致接头在使用过程中开裂。
在金属(GH合金)与陶瓷(Si3N4)之间插入中间缓冲层(其中Cu,Ti作为软缓冲层;W,Mo作为硬缓冲层)的方法有效地降低了残余应力,提高了接头强度[4]。
活性金属钎焊的工艺特点是配置高真空或可控气氛设备,接头质量好,可靠性高,易于实现规模化生产,工艺流程易于控制。
活性金属钎焊的难点在于钎料配置及减少界面应力。
活性钎焊的局限性在于活性钎料的低熔点特性很难保证钎焊接头的高温强度,而高温活性钎料尚有待于进一步研究开发。
4 固相压力扩散焊固相压力扩散焊是在一定的压力下陶瓷与金属紧密接触,接触距离可以达到几埃到十几埃以内,并在界面处形成金属键或化学键。
如加一定温度,界面处的原子处于高度激活状态,扩散迁移明显,通过恢复、再结晶及晶界变化,可使界面形成牢固的冶金结合接头。
固相压力扩散焊中,连接温度、时间、压力及焊接表面状态是影响扩散焊接的主要因素。
依据经典扩散理论,扩散系数D是温度的指数函数:D=D0e-Q/R T。
式中D0为扩散系数,R为气体常数,Q为扩散激活能,T为扩散温度。
扩散的经验公式为T=(0.6～0.9)T m,其中T m为组料中的最低熔化点。
压力能使表面微观凸起产生塑性变形,起到使界面紧密接图1 陶瓷PTL P 连接过程示意图触、激活界面原子、加速扩散及弥合界面空洞的作用。
加压时要考虑陶瓷2金属间的热应力及陶瓷的低塑性,故目前研究都在陶瓷和金属间加入中间层。
Al 及其合金作中间层时,连接温度T B =600℃、时间t B =30min 、压力P B =130MPa ,固态扩散焊时接头质量比较理想[3]。
压力扩散焊机理类似于压力烧结机理,即具有塑性变形、物质传输(表面扩散、体积扩散、晶界扩散)及蠕变强化等阶段,所以焊接表面状态对焊接性有很大影响。
扩散焊要求接触界面无氧化层及其它污染物,接触面越大越好。
扩散焊接接头质量稳定,焊缝中不存在熔化焊缺陷,不存在过热组织热影响区,可焊接较大截面接头,一次可以焊接多个接头,效率较高,可以增加中间层,对陶瓷材料无须表面金属化。
固相扩散焊可满足高温应用的要求,但工艺过程复杂,对连接表面的加工和连接设备的要求高。
高的连接温度和连接压力会增加残余应力,导致构件的变形。
5 陶瓷部分瞬间液相连接陶瓷部分瞬间液相连接(Partial Transient Liquid Phase Bonding ,以下简称PTL P 连接)是为了解决陶瓷的活性钎焊和固相扩散连接中存在的上述问题,在金属瞬间液相连接(Transient Liquid Phase Bonding 简称TL P )以及用“中间扩散层”技术连接陶瓷的基础上提出的。
由于陶瓷部分瞬间液相连接兼有活性钎焊和固相扩散连接的优点,继Y Lino 之后,许多研究者也开展了这方面的工作,研究日趋深入。
在陶瓷的PTL P 连接中,使用不均匀多层中间层(如B 2A 2B 的形式,其中B 的厚度远小于A 的厚度)。
连接过程中,通过B 的熔化或A 2B 界面反应,仅在连接区紧邻陶瓷处形成局部液态合金,起到类似于钎料的作用。
然后通过液态合金与陶瓷的界面反应以及与中间层核心金属A 之间长时间的相互扩散,使液相区等温凝固和固相成分均匀化,并使接头具有固相扩散连接的耐热性。
图1是陶瓷PTL P 连接过程示意图,其中液态合金由金属B 的熔化形成。
PTL P 连接的特点是使用多层中间层提供了一种用钎焊的方法获得具有扩散焊接耐热接头的连接方法。
与固相扩散焊相比,PTL P 连接时形成的液态合金起到了类似于钎料的作用。
由于有液相参与,加速了连接过程,降低了对连接表面加工精度的要求,能有效地消除固相连接中难以完全消除的界面空洞,为陶瓷2金属的连接开辟了一个新途径。
6 自蔓延高温合成(SH S)焊接SHS 技术在1967年问世之初,主要用于合成碳化物、氮化物等难熔金属。
目前已成功地用于粉末冶金、无机多孔件的制取、高温涂层、铸造、焊接等方面。
SHS 焊接是以SHS 反应放出的热为高温热源,以SHS 产物为焊料,在陶瓷和金属间形成牢固连接的过程。
即在陶瓷2金属界面间预置高能焊料,点燃焊料产生短时间高温燃烧,使焊料和陶瓷2金属界面迅速融合,并快冷形成接头。
在此方面,杨伟群、李树杰等认为实现陶瓷2金属SHS 焊接首先要解决预置焊料的热力学计算问题。
利用电弧或辐射加热焊料可以达到这一点火温度T i ,焊料局部加热后,产生放热反应,此反应放热高且集中,继续引燃其余焊料,在极短的时间内发生绝热燃烧并达到最高燃烧温度T ci。
这时燃烧波迅速蔓延,焊料由固2固态变成固2液态,完成其内部热量和质量的传递,最后经冷却形成稳定的固态接头。
T i可以人为控制,但T c 可由反应物组成、焊料粉末粒径比、堆置密度及T i等决定。