陶瓷基复合材料与金属连接.doc

陶瓷基复合材料与金属连接本学期在葛亚琼老师的指导下我们系统的学习了先进材料的连接这一门课程。做为一名焊接专业的学生，这是一门举足轻重的课程，它全面的介绍了例如双相不锈钢、铝锂合金、先进高温合金、陶瓷材料、复合材料、有序金属见化合物以及包括超导材料和形状记忆合金在内的功能材料的连接。在葛亚琼老师秀的讲解下我们受益匪浅。下面就以陶瓷基复合材料与金属连接这一方面结合相关书籍资料和网上资料加以论述。1）引言 现代技术的发展，要求材料能在各种苟刻的环境下可靠地工作。用粒子、晶须或纤维增韧增强的陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，简称CMC）是目前备受重视的型结构材料，具有高强度、高耐、抗氧化、耐腐蚀等优良性能，在航空航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等方面具有广阔的应用前景。但陶瓷材料固有的硬度和脆性使其难以加工、难以制成大型或形状复杂的构件，因而在工程应用上受到了很大限制。解决其实用化的最好方法之一是将其与塑性及韧性高且抗温度冲击能力强的金属材料连接起来制成复合构件使用，充分发挥2种材料的性能优势，弥补各自的不足。2 ）CMC s连接的主要方法 只有使连接材料有效地填充CMCs表面及其内部孔隙,并在连接界面上比较容易地(比较低的连接温度、压力)形成新的、键强较高的化学键,才能形成良好的连接。传统的冶金连接机理无法实现CMCs本体连接及CMCs - 金属连接,这是由于SiC及C液相难以获得,因而采用传统的焊接方法(如熔焊)不具有现实意义。从已公布的文献可知,目前已发现连接CMCs本体及其CMCs - 金属机理有: 物理连接机理(分子力)、机械连接机理(钉扎结构) 、化学反应连接机理 ,并且是多种机理共同实现连接性,相应的连接方法主要采用固相扩散焊、液相法、先驱体法、反应成形法。 Al2O3，Zr2O，Si3N4，SiC等单相陶瓷与金属的连接技术已有了较大进展，但CMC是由多种不同物质组合而成的多相材料，在连接CMC与金属时，除考虑单相陶瓷与金属的连接问题，还应同时考虑连接方法与材料对基体材料和加强材料的适应性，还应考虑避免加强相与基体之间的不利反应以及不能造成加强相（如纤维）的氧化与性能的降低等1，因此复合陶瓷与金属的连接更加困难。本文在综述单相陶瓷/金属焊接现状的基础上对陶瓷基复合材料/金属的焊接现状进行了分析。2.1）钎焊 钎焊是陶瓷/金属连接最常用的方法之一，其原理是利用陶瓷与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原料发生化学反应，形成稳定的反应梯度层使2种材料结合在一起。陶瓷/金属钎焊一般分为间接钎焊和直接钎焊。 间接钎焊（也称两步法）是先在陶瓷表面进行金属化，再用普通钎料进行钎焊。进行陶瓷预金属化的方法最常用的是Mo-Mn法，此外还有物理气相沉淀（PVD）、化学气相沉积（CVD）、热喷涂法以及离子注入法等。间接钎焊连接工艺复杂，其应用受到了一定限制。 直接钎焊法（也称一步法）又叫活性金属钎焊法，是在钎料中加入活性元素，如过渡金属Ti，Zr，Hf，Nb，Ta等，通过化学反应使陶瓷表面发生分解，形成反应层。反应层主要由金属与陶瓷的化合物组成，这些产物大部分情况下表现出与金属相同的结构，因此可以被熔化的金属润湿。直接钎焊法可使陶瓷构件的制造工艺变得简单，成为近年来国内外研究的热门2-4。直接钎焊陶瓷的关键是使用活性钎料，在钎料能够润湿陶瓷的前提下，还要考虑高温钎焊时陶瓷与金属热膨胀差异会引起裂纹。在陶瓷和金属之间插入中间缓冲层可有效降低残余应力，提高接头强度。直接钎焊的局限性在于接头的高温强度较低及大面积钎焊时钎料的铺展问题。2.2 ）扩散焊 扩散焊是陶瓷/金属连接最常用的另一种方法，是指在一定的温度和压力下，被连接表面相互靠近、相互接触，通过使局部发生塑性变形，或通过被连接表面产生的瞬态液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间相互扩散而形成整体可靠连接的过程。其显著特点是接头质量稳定、连接强度高、接头高温性能和耐腐蚀性能好。根据被焊材料的结合及加压方式，扩散焊可分为固相扩散焊和瞬间液相扩散焊（Transient liquid phase bonding，简称TLPB）等。固相扩散焊中，连接温度、压力、时间及焊接表面状态是影响扩散焊接的主要因素。固相扩散连接中界面的结合是靠塑性变形、扩散和蠕变机制实现的，其连接温度较高，陶瓷/金属固相扩散连接温度通常为金属熔点的0.9倍，由于陶瓷和金属的热膨胀系数和弹性模量不匹配，易在界面附近产生高的残余应力，很难实现直接固相扩散连接。为缓解陶瓷与金属接头残余应力以及控制界面反应，抑制或改变界面反应产物以接头性能，常采用中间层。 瞬间液相扩散焊（TLPB）结合了钎焊和固相扩散焊的优点，既能降低连接温度，又能提高接头的使用温度。其原理是在母材与中间层之间形成低熔点液相，然后通过溶质原子的扩散发生等温凝固，形成组织均匀的焊缝接头。近几年已有人将瞬间液相扩散连接应用到陶瓷与陶瓷或金属的连接中。邹贵生等对Si3N4陶瓷TLPB连接接头形成过程、中间层设计、连接温度和压力等对接头形成的影响、连接机理等进行了深入系列的研究。 部分瞬间液相扩散连接方法（PTLP Bonding）是Iino Y于1990年提出的，该方法借助多层中间层，通过低熔点金属层的熔化或层间材料的相互扩散和反应形成局部液相区，随后液相区发生等温凝固和固相成分均匀化。目前已报道的用于PTLP连接的中间层材料主要有：Ti/Ni/Ti，Cu/Ni-20Cr/Cu（质量分数），Cu/Ni/Cu，Au/Ni-22Cr/Au（质量分数），Cu/Ti/Pd/CuTi，Cu/TiCu，Ti/Cu/Ni/Cu/Ti等13。华东船舶工业学院的陈铮等还进行了用非活性金属FeNi/Cu连接Si3N4陶瓷的研究。3 )陶瓷/金属连接界面反应及接头性能研究 陶瓷和金属在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与金属之间是通过过渡层（扩散层或反应层）而焊合的，2种材料间的界面焊合反应对接头的形成和性能有极大的影响。而且陶瓷和金属的线膨胀系数和弹性模量差别很大，在焊接加热和冷却的过程中，接头界面附近产生较大的热应力和残余应力，一般在焊接接头的陶瓷侧产生裂纹并引发断裂。近年来，国内外科技工作者为解决这2大难题进行了不懈的努力。 冯吉才等人采用BAg45CuZn钎料对TIC金属陶瓷与中碳钢进行了真空钎焊连接，结果表明，利用BAg45CuZn钎料可实现TIG金属陶瓷与中碳钢的连接，接头的界面结构为TIG金属陶瓷/（Cu，Ni）固溶体/Ag基固溶体+Cu基固溶体/（Cu，Ni）固溶体/（Cu，Ni）+(Fe，Ni)/中碳钢4。文献17用Al/Cu/Ti复合层作连接材料，通过连接温度下原位生成金属间化合物真空连接Si3N4陶瓷，结果表明，当原位生成的连接层金属组织为Al3Ti/Ti/Al3Ti时，由于纯金属间化合物Al3Ti脆性大，且其与剩余Ti片的结合强度低，陶瓷接头强度低；当连接层金属组织为大量Al3Ti颗粒加少量Al基固溶体时，连接层金属能获得良好的强化效果。顾怡红等人用真空扩散焊法连接Ti6Al4V/Al2O3，分析表明，在800时扩散焊界面上没有显著的化学反应，随着温度的提高，界面上Ti6Al4V/Al2O3反应生成TiAl，Ti2Al，Ti3Al与Ti组成的脆性混合过渡层，反应产物的存在使基体金属脆化并影响界面附近的残余应力分布。4） 结束语钎焊和扩散焊是目前陶瓷/金属主要的焊接方法，此外还有熔烛地、自蔓延高温合成连接、场致扩散焊接、摩擦焊、粘合剂粘接