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1、先进材料连接技术研究进展及其应用 学 号：B10030124学 院：洛阳理工学院 系 别：机电工程系 姓 名：朱罗北 教 师 ：闫红彦陶瓷与金属扩散焊连接技术的研究现状及应用前言现代技术的发展,要求材料能在各种苛刻的环境下可靠地工作。在工程结构材料中,现有的金属材料虽然在室温强度、延展性、导电性和导热性等方面具有优良的特性,但其耐高温、耐腐蚀,耐磨损等性能已不能满足日趋提高的需求。陶瓷材料,特别是具有熔点高、高温强度高、硬度高、高温蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、弹性模量高以及热膨胀系数小等优良性能和特点的先进结构陶瓷材料在工程结构领域具有广阔的应用前景。工程结构陶瓷材料由于其化学键的特点,具

2、有脆性大、强度分散和加工困难三个固有的缺点,这些缺点导致其抗冷热冲击能力差、难以制成尺寸大、形状复杂的构件,从而也限制了其应用范围。由此可见,陶瓷材料和金属材料之间明显有着一种性能互补关系,将陶瓷与金属连接起来制成复合构件,充分发挥两种材料的性能优点,弥补各自的不足,对于改善结构件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义。因此,陶瓷/ 金属的连接问题也一直是研究的热点问题1。扩散焊连接技术适用于各种陶瓷与各种金属的连接。其显著特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性能和耐蚀性能好。因此，对于高温或耐蚀条件下的应用来讲,扩散连接是陶瓷与金属连接最适宜的方法。由于

3、这种方法能充分发挥陶瓷的优异性能，因而受到世界各国学者和工程界人士的重视，并在界面反应研究、残余应力分析和连接工艺研究等方面开展了大量的工作，取得了显著的成果2。1 扩散焊的原理及影响因素1.1 基本原理扩散焊是指在一定的温度和压力下，待焊表面相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，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，然后经较长时间的原子间相互扩散、相互渗透，而形成冶金结合的连接过程3。扩散焊过程大致可分三个阶段，第一阶段为物理接触，被连接表面在压力和温度作用下，粗糙表面的微观凸起首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大，并紧密接触，最终达到整个面的

4、可靠接触；第二阶段是接触界面原子间的相互扩散和再结晶，形成牢固的结合层；第三阶段是在接触部分形成的结合层中，原子扩散逐渐向纵深发展，形成可靠连接接头。这三个过程并不是截然分开的，而是相互交叉进行，最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程形成固态冶金结合，它可以生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠连接4。焊接参数的选择就是要控制这些因素，最终得到综合性能良好的接头。1.2 影响扩散焊的主要因素（1） 温度。温度影响被焊材料的屈服强度和原子的扩散行为，对消除空隙起着决定性作用，扩散温度的经验公式5为T= (0.6- 0.8) Tm，其中Tm为被焊零件材料中的最低熔点。温度是促进原子扩

5、散的最重要因素，加热焊件能提高原子、离子、分子的能量，从而加速扩散，但温度过高，对焊缝度强有所降低。因此，如何选定最佳焊接温度，是提高焊缝强度的关键。（2） 压力。压力能使材料连接面达到完全接触，扩大有效的焊接面积，加快扩散再结晶过程。焊接压力的大小，要视焊接材料的屈服极限和蠕变程度而定，一般以接合面产生蠕变变形为原则。（3） 时间。扩散焊三个阶段的进行都需要较长的时间。一般说来，延长扩散时间，可以提高扩散效果，但对某些材料，保温扩散时间过长，效果反而不好，甚至会产生金属间化合物脆性层。能否正确地选择时间参数，对焊缝强度的影响很大。（4） 工作介质。为防止扩散过程中焊件氧化，一般采用真空扩散焊

6、，或用特殊气氛作保护介质。真空扩散焊目前应用较多。一般而言，真空度越大，表面净化作用越强，焊接效果越好。选定多大的真空度应以被焊接材料的种类和对焊件的要求而定。气体保护扩散焊多用氩、氦、氢或二氧化碳及各种混合气体作保护气氛。（5） 表面状态。零件的加工精度、表面状态是扩散焊能否成功的关键。良好的表面状态能使零件在温度、压力的作用下结合得更紧密，扩散更充分，焊接质量更可靠。焊接前要将焊接面清洗干净，不得有任何杂质和氧化层。为扩大连接面，增强焊缝强度，还可以通过设计合理的焊件连接面结构形状来实现。2 陶瓷与金属扩散焊接技术的研究现状2.1陶瓷与金属焊接的主要困难陶瓷与金属连接构成的复合构件作为结构

7、材料可以获得金属、陶瓷的性能互补, 并降低复合材料的成本。但由于两者在物理和化学性质方面存在很大差异, 故焊接上存在以下困难2:（1）它们的结晶结构不同, 导致熔点极不相同；（2） 陶瓷晶体的强大键能使元素扩散极困难；（3）它们的热膨胀系数相差悬殊, 导致接头产生很大热应力, 会在陶瓷侧产生裂纹；（4）结合面产生脆性相, 玻璃相会使陶瓷性能减弱。所以难于用常规的熔焊方法实现连接, 目前广泛采用的是扩散焊接和钎焊。钎焊所面临的问题是如何改善钎料对母材的润湿性和提高接头的高温强度和高温稳定性而扩散焊接被认为是陶瓷与金属连接的较佳方法, 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

8、性能好。2.2 陶瓷与金属的扩散焊接现状扩散焊接适用于各种陶瓷与各种金属的连接。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。因此,对于高温和耐蚀条件下的应用来讲,扩散焊接是陶瓷与金属连接最适宜的方法。在陶瓷与金属的扩散焊接中,为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数不同而引起的残余应力以及控制界面反应,抑制或改变界面反应产物以提高接头性能,常采用中间层2 : (1) 为缓解接头的残余应力,中间层可采用单一的软金属,也可采用多层金属。软金属中间层有Ni ,Cu 及Al 等,它们的塑性好,屈服强度低,能通过塑性变形和蠕变变形来缓解接头的残余应力； (2) 从控制界面反应出发,可以选择活

9、性金属中间层,也可以采用粘附性金属中间层。活性金属中间层有V , Ti ,Nb , Zr ,Hf ,Cu - Ti 及Ni2Cr 等,它们能与陶瓷相互作用,形成反应产物,并通过生成的反应产物使陶瓷与被连接金属牢固地连接在一起。粘附性金属中间层有Fe ,Ni 和Fe - Ni 等,它们与某些陶瓷不起反应,但可与陶瓷组元相互扩散形成扩散层。研究发现,将粘附性金属与活性金属组合运用,所取得的效果更好。刘伟平6等人研究了加Nb 膜中间层对Cu/ Al2O3 界面接合强度的影响,结果表明:Nb 膜中间层的加入,显著提高了Cu/ Al2O3 扩散焊接头的断裂能量。在此基础上,作者还以单晶- Al2O3 陶

10、瓷和单晶Cu 为母材,研究了Cu/Al2O3 扩散焊接头以及带Nb 膜中间层的Cu/ Nb/Al2O3 扩散焊接头界面晶体位向关系对接头断裂能量的影响。同样,采用金属Nb (箔片) 做中间缓冲层,对SiC 陶瓷和SUS304 不锈钢也进行了扩散焊接,接头强度稳定在100MPa 以上7 。杨敏，邹增大8等人采用不同的中间层材料进行Si3N4陶瓷/Inconel 600高温合金连接试验，通过剪切试验测定连接接头的抗剪强度，采用扫描电镜、电子探针等分析手段分析由不同材料组成的复合中间层对Si3N4陶瓷/Inconel 600高温合金连接性的影响。研究表明，当中间层材料在连接温度下与紧邻陶瓷连接面的位

11、置能形成含活性元素的局部液相时，可以实现Si3N4陶瓷/Inconel 600高温合金的连接。当中间层含有连接过程不熔化的软金属层时，接头强度明显提高。P.Hussain9等对Si 陶瓷与铁素体不锈钢进行直接扩散焊。试验表明：由于材料之间的相互反应和扩散Si与铁素体不锈钢之间形成了韧性很好的界面，缓和了Si与铁素体不锈钢之间的热性能不匹配问题。而Si 陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形成韧性层,因而Si与铁素体不锈钢的连接比奥氏体不锈钢成功得多。近年来,采用功能梯度材料作中间层焊接陶瓷/ 金属,焊接接头性能得到更大程度的改善。此外,为改进陶瓷的焊接性,预先对陶瓷表面进行金属化,再扩散焊接陶瓷与金属,

12、接头强度也大大提高,如AlN 与Cu 和FeNi42 的连接10。 Dr.2Ing.Ulrich Draugelates 等人认为11 ,如果陶瓷表面不经任何处理,陶瓷/金属焊接接头在冷却过程中,陶瓷周围将产生应力极大值。为了减少残余应力和提高接头强度,可对陶瓷表面预先进行宏观几何学处理,残余应力将位于被金属填充的被连接陶瓷表面的凹槽中,连接区的周围就没有应力集中。有限元方法模拟表明12:陶瓷被连接表面的不同的几何形状对缓解残余应力的贡献并没有明显不同。3 陶瓷与金属扩散焊接技术的应用陶瓷与金属的异种材料焊接构件在航空航天领域具有广泛的应用前景。陶瓷及陶瓷基复合材料是高性能涡轮发动机高温区极好

13、的结构材料, 有可能用于燃烧室、火焰稳定器、机匣、涡轮叶片和尾喷口调节片等, 被认为是未来先进航空发动机的关键材料。有资料报道, 单晶技术的引入仅将材料的工作温度提高50 ,而陶瓷材料约可提高400,到2010年为止，陶瓷材料已占航空发动机总重的20%左右13。但由于影响陶瓷/金属扩散焊接的因素很多,诸如中间层的选择、中间层厚度、被连接表面形状等,都有可能影响扩散焊接头的质量,这些问题有待进一步研究。4 结束语陶瓷与金属异种材料的扩散焊接是一门综合性技术,涉及范围广,学科交叉性强。尽管人们在这方面进行了大量的工作,也取得了显著的成果,但在界面反应的研究、残余应力分析、接头性能评定及连接工艺等方

14、面还有待深入研究。同时跨入21世纪后对于高性能结构陶瓷与金属的连接工艺不断发展和日趋成熟。为了占领以陶瓷发动机为代表的工程陶瓷市场,日本和美国均花巨资对陶瓷与金属的连接工艺进行了广泛深入的研究。我国应加强对陶瓷- 金属连接工艺的研究和开发,尽快完善接头性能评价方法,建立评价标准,积极消化国外的先进技术,为将来占领国际结构陶瓷市场作好准备。参考文献1 李淑华,王建江,李树堂. 陶瓷与金属的连接J.特种铸造及有色金属, 2000 ,2 :5153.2 刘会杰,冯吉才,李广,等. 陶瓷与金属扩散连接的研究现状J.焊接,2000 (9) :712.3 李志远.先进连接方法M.北京: 机械工业出版社,

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