陶瓷金屬的焊接方法

瓷/金屬的焊接方法材料連接技術(shù)的歷史可以追溯到數(shù)千年以前，但現(xiàn)代材料連接技術(shù)的形成主要以19世紀(jì)末電阻焊的發(fā)明（1886）和金屬極電弧的發(fā)現(xiàn)（1892）為標(biāo)志，真正的快速發(fā)展則更是20世紀(jì)30、40年代以后的事?？茖W(xué)上的發(fā)現(xiàn)、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術(shù)的要求始終從不同角度推動著材料連接技術(shù)的發(fā)展，例如，電弧的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致電弧焊的發(fā)明，電子束、等離子束和激光的相繼問世形成了高能束焊接；高溫合金和陶瓷材料的應(yīng)用促進(jìn)了擴(kuò)散連接技術(shù)的發(fā)展；高密度微電子組裝技術(shù)的要求推動了微連接技術(shù)的進(jìn)步等等。經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，材料連接技術(shù)已經(jīng)成為材料加工、成形的主要技術(shù)和工業(yè)制造技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用領(lǐng)域遍及機(jī)械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、電子技術(shù)、建筑、橋梁、能源等國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)各部門，在航空航天、電子技術(shù)和船舶等領(lǐng)域甚至成為部門發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)。材料連接方法眾多，僅常用的就有近30種。按照連接機(jī)理可以將連接技術(shù)分為熔化焊，固相焊和釬焊三大類，熔化焊是指通過母材和填充材料的熔合實(shí)現(xiàn)連接的一類連接方法，包括電弧焊、電子束焊和激光焊等；固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質(zhì)遷移或塑性變形實(shí)現(xiàn)連接的一類連接方法，主要有擴(kuò)散焊、摩擦焊、爆炸焊等；釬焊是利用低熔點(diǎn)液態(tài)合金對母材的潤濕和毛細(xì)填縫而實(shí)現(xiàn)連接的一類連接方法。這些連接方法各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，適合于不同的材料和結(jié)構(gòu)。陶瓷/金屬連接研究發(fā)展到今天，已經(jīng)有很多連接方法，主要有：（1）粘合劑粘接；（2）機(jī)械連接；（3）自蔓延高溫合成連接；（4）熔焊；（5）釬焊；（6）擴(kuò)散焊等。釬焊是陶瓷/金屬連接最常用的方法之一，其原理是利用陶瓷與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原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層使兩種材料結(jié)合在一起。陶瓷/金屬釬焊一般分為間接釬焊和直接釬焊。間接釬焊是先在陶瓷表面進(jìn)行金屬化，再用普通釬料進(jìn)行釬焊。進(jìn)行陶瓷預(yù)金屬化的方法最常用的是Mo-Mn法，此外還有物理氣相沉淀（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、熱噴涂法以及離子注入法等。間接釬焊連接工藝復(fù)雜，其應(yīng)用受到了一定限制。直接釬焊法又叫活性金屬釬焊法，是在釬料中加入活性元素，如過渡金屬Ti,Zr，Hf，Nb，Ta等，通過化學(xué)反應(yīng)使陶瓷表面發(fā)生分解，形成反應(yīng)層。反應(yīng)層主要由金屬與陶瓷的化合物組成，這些產(chǎn)物大部分情況下表現(xiàn)出與金屬相同的結(jié)構(gòu)，因此可以被熔化的金屬潤濕。直接釬焊法可使陶瓷構(gòu)件的制造工藝變得簡單，成為近年來國內(nèi)外研究的熱門。直接釬焊陶瓷的關(guān)鍵是使用活性釬料，在釬料能夠潤濕陶瓷的前提下，還要考慮高溫釬焊時陶瓷與金屬熱膨脹差異會引起裂紋。在陶瓷和金屬之間插入中間緩沖層可有效降低殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度。直接釬焊的局限性在于接頭的高溫強(qiáng)度較低及大面積釬焊時釬料的鋪展問題。擴(kuò)散焊是陶瓷/金屬連接最常用的另一種方法，是指在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互靠近、相互接觸，通過使局部發(fā)生塑性變形，或通過被連接表面產(chǎn)生的瞬態(tài)液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散而形成整體可靠連接的過程。其顯著特點(diǎn)是接頭質(zhì)量穩(wěn)定、連接強(qiáng)度高、接頭高溫性能和耐腐蝕性能好。根據(jù)被焊材料的結(jié)合及加壓方式，擴(kuò)散焊可分為固相擴(kuò)散焊和瞬間液相擴(kuò)散焊等。固相擴(kuò)散焊中，連接溫度、壓力、時間及焊接表面狀態(tài)是影響擴(kuò)散焊接的主要因素。固相擴(kuò)散連接中界面的結(jié)合是靠塑性變形、擴(kuò)散和蠕變機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，其連接溫度較高，陶瓷/金屬固相擴(kuò)散連接溫度通常為金屬熔點(diǎn)的0.9倍，由于陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配，易在界面附近產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力，很難實(shí)現(xiàn)直接固相擴(kuò)散連接。為緩解陶瓷與金屬接頭殘余應(yīng)力以及控制界面反應(yīng)，抑制或改變界面反應(yīng)產(chǎn)物以接頭性能，常采用中間層。瞬間液相擴(kuò)散焊結(jié)合了釬焊和固相擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)，既能降低連接溫度，又能提高接頭的使用溫度。其原理是在母材與中間層之間形成低熔點(diǎn)液相，然后通過溶質(zhì)原子的擴(kuò)散發(fā)生等溫凝固，形成組織均勻的焊縫接頭。近幾年已有人將瞬間液相擴(kuò)散連接應(yīng)用到陶瓷與陶瓷或金屬的連接中。陶瓷和金屬的連接采用一般的熔焊方法比較困難，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：（1） 熱應(yīng)力和熱沖擊等問題嚴(yán)重，集中加熱易產(chǎn)生裂紋；（2） 某些陶瓷如Si3N4熔化前將升華或分解，而MgO等熔化時迅速蒸發(fā)，常壓下無法熔焊;多數(shù)陶瓷導(dǎo)電性差，電阻焊法難以應(yīng)用。目前，陶瓷金屬的熔焊主要是激光熔焊和電子束焊。采用高能電子束連接陶瓷和高熔點(diǎn)金屬(如Mo,Pt)是利用高能電子束加熱速度快和金屬材料相對于陶瓷材料比熱容低的特點(diǎn)，在陶瓷不分解和熔化的條件下使金屬熔化并形成連接。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(jìn)行預(yù)熱和緩冷，而且工藝參數(shù)難以控制，設(shè)備投資昂貴。釬焊和擴(kuò)散焊是目前陶瓷/金屬主要的焊接方法，此外還有熔燭地、自蔓延高溫合成連接、場致擴(kuò)散焊接、摩擦焊、粘合劑粘接、機(jī)械連接等多種連接方