材料焊接性7

过渡族金属具有很强的化学活性，这些金属 元素对氧化物、硅酸盐等具有较大的亲和 力，可以通过化学反应在陶瓷表面形成反 应层。 由于过渡族金属元素比较活泼，活性钎焊时 应注意对活性元素的保护。因为这些元素 一旦被氧化后就不能再与陶瓷发生反应。 因此活性钎焊过程一般是在10-2 Pa以上的 真空或在高纯惰性保护气氛中进行，一次 完成钎焊过程。
7.1 先进材料的分类及性能特点 7.1.1 先进材料的分类 根据其使用性能大致可分为：结构材料和功 能材料。 功能材料包括半导体材料、信息材料、超导 材料、形状记忆合金、储能材料等； 结构材料具有高强度、高韧性、耐高温、耐 腐蚀等优异的性能。与焊接技术相关的主 要是先进结构材料。 根据组织和性能特点，可分为：先进陶瓷材 料、金属间化合物和复合材料等。
(1) 先进陶瓷材料 陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、 碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成 形和高温烧结等人工合成的无机非金属材 料。 先进陶瓷在组成、性能、制造工艺等方面 都与传统的陶瓷截然不同，组成已由原来 的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC 和ZrO2等；采用先进的物理、化学方法能够 制备出超细粉末。烧结方法也已由普通的 大气烧结发展到在控制气氛中的热压烧结 和微波烧结等先进的烧结方法。
图7-3 中间层厚度对接头残余应力的影响 (1300℃, 30min, 100MPa)
陶瓷与金属钎焊时，为了最大限度地释放 钎焊接头的应力，选用一些塑性好、屈服 强度低的钎料，铟基钎料对AlN陶瓷有很好 的润湿性，控制钎焊温度和时间可以形成 组织性能较好的钎焊接头，如图7-4所示。 为避免陶瓷与金属接头出现焊接裂纹，除添 加中间层或合理选用钎料外，可采用的工 艺措施有： ① 合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接 头使用性能的条件下，尽可能使两者的线 膨胀系数相差最小；
陶瓷与金属的焊接一般是在高温下进行，因 此，焊接温度与室温之差也是增加接头残 余应力的重要因素。 为了减小陶瓷与金属焊接接头的应力集中， 在陶瓷与金属之间加入塑性材料或线膨胀 系数接近陶瓷线膨胀系数的金属作为中间 层是有效的。 中间层多选择弹性模量和屈服强度较低、塑 性好的材料，通过中间层金属本身的塑性 变形减小陶瓷中的应力。常用做中间层的 金属主要有Cu、Ni、Nb、Ti、出现的界面反应产物
扩散条件不同，界面反应产物不同，接头 性能有很大差别。加热温度提高，界面扩 散反应充分，使接头强度提高。用厚度 0.5mm的铝作中间层对钢与氧化铝进行扩散 焊时，加热温度对接头抗拉强度的影响如 图7-5所示。 但是，温度过高可能使陶瓷的性能发生变化， 或出现脆性相而使接头性能降低。
② 应尽可能地减少焊接部位及其附近的温度 梯度，控制加热和冷却速度，降低冷却速 度，有利于应力松弛而使应力减小； ③ 采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设 计陶瓷与金属的接头结构。
图7-4
钎焊温度和时间对接头承载力的影响
(2) 界面润湿性差 陶瓷材料含有离子键或共价键，表现出非常 稳定的电子配位，很难被金属键的金属钎 料润湿，所以用通常的熔焊方法使金属与 陶瓷产生熔合是很困难的。 为了改善被焊陶瓷表面的润湿性，可采用如 下2种方法： 1）陶瓷表面的金属化处理（也称为陶瓷金 属化法） 陶瓷表面的金属化处理有Mo-Mn法、蒸发法、 喷溅法、离子注入法等。
图7-2
复合材料比强度和比模量与温度的关系 a) 比强度 b）比模量
7.2 陶瓷材料与金属的焊接 7.2.1 陶瓷的分类及性能 分类：结构陶瓷和功能陶瓷 结构陶瓷强调材料的力学性能等，在工程领 域得到广泛应用，常用的结构陶瓷主要有 氧化铝、氮化硅、碳化硅以及部分稳定氧 化锆陶瓷。结构陶瓷按其化学组成分为氧 化物陶瓷和非氧化物陶瓷两大类，见表7.1。 功能陶瓷包括电子陶瓷、高温陶瓷、光学陶 瓷、高硬度陶瓷等。
(2) 金属间化合物 属于金属键结合，具有长程有序的超点阵 结构。它不遵循传统的化合价规律，具有 金属的特性，晶体结构与组成它的两个金 属组元的结构不同，两个组元的原子各占 据一定的点阵位置，呈有序排列。 典型的长程有序结构主要形成于金属的面 心立方、体心立方和密排六方三种主要晶 体结构。例如Ni3Al为面心立方有序超点阵 结构，Ti3Al为密排六方有序超点阵结构， Fe3Al为体心立方有序超点阵结构。
图7-6 保温时间对接头强度的影响 a) 对抗拉强度的影响 b) 对抗剪强度的影响
扩散焊中施加压力是为了使接触面处产生塑 性变形，减小表面不平整和破坏表面氧化 膜，增加表面接触面积，为原子扩散提供 条件。 压力较小时，增大压力可以使接头强度提 高，如Cu或Ag与Al2O3陶瓷、Al与SiC陶瓷焊 接时，施加压力对接头抗剪强度的影响如 图7-7a所示。 压力的影响与材料的类型、厚度以及表面氧 化状态有关。压力对接头抗弯强度的影响 如图7-7b所示 。
有些超点阵结构的金属间化合物具有反常 的强度和温度关系，屈服强度随温度的升 高而增加，达到一定峰值后开始随温度的 升高而下降（见图7-1）。 含Al、Si的金属间化合物还具有很高的抗 氧化和抗腐蚀的能力。由轻金属组成的金 属间化合物密度小，比强度高，特别适合 于航空航天工业的应用要求。
图7-1
金属间化合物屈服强度和温度的关系
第7章 先进材料的焊接
先进材料是指采用先进技术新近开发或 正在开发的具有独特性能和特殊用途的 材料。它的发展和应用对推动科技进步、 促进社会发展起着重要的作用。例如新 型的金属结构材料、先进陶瓷材料、金 属间化合物和复合材料的开发与应用， 为开发能源、开发太空和海洋、探索航 空航天等领域提供了重要的物质基础。 先进材料的焊接也受到人们的密切关注。
复合材料与单一材料相比，最大特点是具有 优异的综合性能和可设计性。它是根据预 期的性能指标将不同材料通过复合工艺按 一定的设计要求复合在一起，充分发挥其 优点，如比强度和比模量高，耐高温、耐 低温、耐热冲击，线膨胀系数小、尺寸稳 定性好、耐磨等，见图7-2。复合材料在航 空、航天等高新技术中发挥了重要的作用， 并在能源、交通运输、化工和机械等领域 得到了广泛的应用。
(1) 焊接裂纹 陶瓷与金属的化学成分和物理性能有很大 差别，特别是线膨胀系数差异很大，如SiC 和Si3N4的线膨胀系数分别只有4×10-6/K和 3×10-6/K，而Al和Fe的线膨胀系数则分别 高达23.6×10-6/K和11.7×10-6/K。 陶瓷的弹性模量也很高。在焊接加热和冷却 过程中陶瓷、金属各自产生差异较大的膨 胀和收缩，在接头附近产生较大的热应力， 造成接头区产生裂纹。
离子注入法是将Ti等活性元素的离子直接注 入陶瓷中，使陶瓷形成可以被一般钎料润 湿的表面。 2）活性金属化法 在钎料中加入活性元素，使钎料与陶瓷之间 发生化学反应，使陶瓷表面分解形成新相， 产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷与金 属结合界面，这种方法称为活性金属化法。 活性金属化法常用的活性金属是过渡族金属， 如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等。
7.1.2 先进材料的性能特点 材料的性能特点：高强度、耐高温、耐腐蚀、 抗氧化等。 陶瓷材料与金属材料相比，热膨胀系数比较 低，熔点（或升华、分解温度）高很多。 因此，陶瓷作为高温结构材料用于航空发 动机、切削刀具和耐高温部件等，具有广 阔的应用前景。 金属间化合物与无序合金相比，长程有序超 点阵结构保持很强的金属键结合，具有许 多特殊的物理、化学性能，如电学性能、 磁学性能和高温力学性能等。
图7-5
加热温度对扩散焊接头强度的影响
陶瓷与金属扩散焊接头抗拉强度（σb）与 保温时间(t)的关系为：σb=B0 t1/2, 其中B0 为常数。 Al2O3/Al扩散焊接头中，保温时间对接头抗 拉强度的影响如图7-6a所示。用Nb作中间 层扩散焊SiC时，时间过长后出现了强度较 低、线膨胀系数与SiC相差很大的NbSi2相， 而使接头抗剪强度降低（见图7-6b）。
界面反应与焊接环境条件有关。在真空扩 散焊中，避免O、H等参与界面反应，有利 于提高接头的强度。图7-9示出用Al作中间 层连接Si3N4时，环境条件对接头强度的影 响。
(3) 复合材料 是指由两种或两种以上的物理和化学性质不同的 物质，按一定方式、比例及分布方式组合而成的 一种多相固体材料。复合材料一般有两个基本相： 连续相(基体)；分散相(增强相)。增强相包括颗 粒增强、晶须增强及纤维增强，分别以下标p、w、 f表示。例如，碳化硅粒子增强铝基复合材料表示 为SiCP/Al。 按照基体材料的不同，有树脂基复合材料、金属 基复合材料、陶瓷基复合材料和碳-碳复合材料等， 与焊接密切相关的是金属基复合材料。
表7.1 常见结构陶瓷的分类
陶瓷的化学和组织结构十分稳定。在它的离 子晶体中，金属原子被非金属原子所包围， 受到非金属原子的屏蔽，因而形成极为稳 定的化学结构。由于化学结构稳定，大多 数陶瓷具有较强的抵抗酸、碱、盐类的腐 蚀，以及抵抗熔融金属腐蚀的能力。
表7.2列出常用结构陶瓷的物理性能和力学 性能。陶瓷材料多为离子键构成的晶体 （如Al2O3）或共价键组成的共价晶体（如 Si3N4、SiC），这类晶体结构具有明显的方 向性。多晶体陶瓷的滑移系很少，受外力 作用时几乎不能产生塑性变形，常常发生 脆性断裂，抗冲击能力较差。由于离子晶 体结构的关系，陶瓷的硬度和室温弹性模 量较高。陶瓷内部存在大量的气孔，致密 程度比金属差很多，所以抗拉强度很低。
陶瓷与金属扩散焊时采用中间层，不仅降低 了接头产生的残余应力，还可以降低加热 温度，减小压力和缩短保温时间，促进扩 散和去除杂质元素。Al2O3陶瓷与铁素体不 锈钢0Cr13扩散焊时，中间层降低残余应力 的作用如图7-3所示。 但中间层选择不当甚至会引起接头性能恶 化。如由于化学反应激烈形成脆性反应物 而使接头抗弯强度降低，或由于线膨胀系 数不匹配而增大残余应力，或使接头耐腐 蚀性能降低等。
表7.2
常用结构陶瓷的物理性能和力学性能
7.1.2 陶瓷与金属的焊接性分析 陶瓷与金属焊接时，由于陶瓷材料与金属原 子结构之间存在本质上的差别，加上陶瓷 本身特殊的物理化学性能，因此，陶瓷与 金属的焊接存在不少问题。陶瓷的线膨胀 系数比较小，与金属的线膨胀系数相差较 大，陶瓷与金属焊接时，接头区域会产生 残余应力，残余应力较大时还会导致接头 处产生裂纹，甚至引起裂破坏。陶瓷与金 属焊接中的主要问题包括裂纹、界面润湿 性差等。