陶瓷与金属的连接浅讲

答辩人：dd,西北工业大学,陶瓷与金属的连接浅讲（以钎焊氧化铝与紫铜为例）,选题原因及背景,01,连接方法,02,实验过程,03,结果分析与反思,04,CONTENT,PARTONE,一、选题原因及背景,本科：材料加工（焊接）,研究生：陶瓷材料,陶瓷与金属的连接,一、选题原因及背景,一、选题原因及背景,陶瓷：耐热，耐腐蚀、耐磨等优异性能。但是其自身的本身脆性成为限制该类材料工程应用的瓶颈，此外，其超高的硬度使得材料的切削加工和成型变得困难。,金属材料：内部以金属键结合，具有很强的塑性变形能力、良好的导电性和导热性。与此同时，其熔点低、硬度低、化学稳定性较差。,一、选题原因及背景,推进陶瓷实用化的方法之一，将其与塑韧性高的金属材料连接制成复合构件，取长补短。,汽车发动机增压器转子,飞机发动机,PARTTWO,二、连接方法,二、连接方法,常用陶瓷/金属连接方法比较,二、连接方法,粘接：借助胶粘剂在固体表面所产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法。,机械连接：借助结构设计的连接方法,有螺栓连接和热套连接两种。,固相扩散：指在相互接触的表面，在高温压力的作用下，被连接表面相互靠近，发生塑性变形，经一定时间后达到原子间结合的过程。,烧釉封接：在空气中于陶瓷上烧结硅酸盐玻璃类物质,然后再在还原气氛下与金属焊接。,二、连接方法,综上所述，尽管陶瓷与金属的连接方法为数不少，但由于一些方法其自身局限性，应用范围受到限制。钎焊是最有可能大规模推广实用的几种连接工艺之一。,焊接：通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。,目前陶瓷与金属连接中应用最多的是钎焊连接。钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。,二、连接方法,陶瓷与金属材料常用的钎焊工艺有两种：一种是陶瓷表面金属化法，即先在陶瓷表面进行合金化后再用普通钎料进行钎焊。另一种是活性钎焊法，即采用活性钎料直接对陶瓷与金属进行钎焊。,二、连接方法,两种方法都涉及到钎焊材料的应用，前者主要是利用常规钎料，后者主要是利用活性钎料。,PARTTHREE,三、实验过程,三、实验过程,准备材料：Al2O3陶瓷（质量分数为99%）；商用紫铜；钎料Sn-0.3Ag-0.7Cu(质量分数，%)；Ti粉（纯度为99.9%）-用作金属涂层,钎焊装配示意图,三、实验过程,实验流程图：,1、准备材料,2、制备Sn-0.3Ag-0.7Cu-4Ti金属涂料,3、陶瓷表面金属化,4、钎焊,5、接头组织分析与力学性能测试,三、实验过程,陶瓷表面金属化粉末铺展示意图,钎焊装配示意图,首先以20/min的速率升温至500，保温时间5min，再以10/min的速率升温至900，保温30min，然后以10/min的速率降温到500，随炉冷至室温,钎焊时以10/min的速率升温至钎焊温度600，保温时间5min，然后以10/min的速率降温至200，炉冷至室温,PARTFOUR,四、结果分析与反思,四、结果分析与反思,说明经过机械球磨过程后，金属化涂料中的钛以单质的形式存在，未与钎料发生机械冶金反应。,机械球磨对钎料的影响,图1钎料与金属涂料XRD分析结果,四、结果分析与反思,金属化层的宏观和微观结构,图为金属化温度900，保温时间30min条件下得到金属化层的宏观形貌。金属化层均匀的铺满陶瓷表面，且平整度较好。,金属化层与Al2O3陶瓷母材结合良好。从图可以看到金属化层中存在着呈现黑色、灰色和白色的三种相。,图2金属化层的宏观形貌,图3显微组织形貌,四、结果分析与反思,表1图3中所标点的能谱分析,由图5和表1并结合相图可知，金属化层中黑色相为Al2O3颗粒，灰色相为Sn-Ti化合物Ti6Sn5，白色相为锡基固溶体。这说明在金属化过程中，有少量的Al2O3陶瓷颗粒过渡到金属化层中，金属化涂料反应生成Ti6Sn5化合物，其不均匀分布于金属化层中。,经过上面的分析可以得出采用Sn-0.3Ag-0.7Cu-4%Ti金属化涂料在900、保温时间30min的条件下可以在Al2O3陶瓷表面获得均匀并且结合良好的金属化层。,四、结果分析与反思,钎焊接头的界面组织,图4接头显微组织,表2图中所示能谱分析（原子分数，%）,在钎焊温度600、保温时间5min条件下，实现了紫铜与Al2O3陶瓷有效的连接。这说明用Sn-0.3Ag-0.7Cu-4%Ti金属化涂料对Al2O3陶瓷做金属化处理可以有效的改善陶瓷的表面活性，能够在一定程度上降低Al2O3陶瓷与紫铜的连接温度，接头组织形貌良好钎焊接头的界面结构为Cu/Cu3Sn(区)/Cu6Sn5(区)/Sn(s，s)+Ti6Sn5(区)/Al2O3陶瓷。,四、结果分析与反思,钎焊接头的抗剪强度及断口分析,断口表面较为平整，断裂发生于钎缝，断裂方式为脆性断裂,图5钎焊接头断口形貌,四、结果分析与反思,结论(1)利用Sn-0.3Ag-0.7Cu-4%Ti金属化涂料在金属化温度900、保温时间30min条件下对Al2O3陶瓷进行金属化处理，得到结合良好的金属化层;金属化层基体为锡基固溶体，其中分布着大量块状Ti6Sn5相(2)在连接温度600、保温时间5min条件下，Al2O3陶瓷与铜钎缝接头的界面结构为Cu/Cu3Sn(区)/Cu6Sn5(区)/Sn(s，s)+Ti6Sn5(区)/Al2O3陶瓷(3)Al2O3陶瓷/铜间接钎焊接头的抗剪强度为13.6MPa，接头的断裂形式为脆性断裂，断裂发生在金属间化合物层,四、结果分析与反