陶瓷与金属的连接浅讲

1、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04CONTENTPARTONE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l 推进陶瓷实用化的方法之一，将其与塑韧性高的金属材

2、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l 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。l 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 。l 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。l 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

3、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。l 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。l 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：u 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。 u 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

4、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 5 min，再以10 / min 的速率升温至

5、 900 ，保温 30 min，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5 min，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 30 min 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A

6、l2O3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 30 min 的条件下可以在 Al2O3陶瓷表面获

7、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 5 min 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

8、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 30 min 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 5 min 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13.6 MPa，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