陶瓷金属的焊接方法

瓷/金属的焊接方法材料连接技术的历史可以追溯到数千年以前，但现代材料连接技术的形成主要以19世纪末电阻焊的发明（1886）和金属极电弧的发现（1892）为标志，真正的快速发展则更是20世纪30、40年代以后的事。科学上的发现、新材料的发展和工业新技术的要求始终从不同角度推动着材料连接技术的发展，例如，电弧的发现导致电弧焊的发明，电子束、等离子束和激光的相继问世形成了高能束焊接；高温合金和陶瓷材料的应用促进了扩散连接技术的发展；高密度微电子组装技术的要求推动了微连接技术的进步等等。经过一个多世纪的发展，材料连接技术已经成为材料加工、成形的主要技术和工业制造技术的重要组成部分，应用领域遍及机械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、电子技术、建筑、桥梁、能源等国民经济和国防工业各部门，在航空航天、电子技术和船舶等领域甚至成为部门发展的最关键技术。材料连接方法众多，仅常用的就有近30种。按照连接机理可以将连接技术分为熔化焊，固相焊和钎焊三大类，熔化焊是指通过母材和填充材料的熔合实现连接的一类连接方法，包括电弧焊、电子束焊和激光焊等；固相焊是通过连接材料在固态条件下的物质迁移或塑性变形实现连接的一类连接方法，主要有扩散焊、摩擦焊、爆炸焊等；钎焊是利用低熔点液态合金对母材的润湿和毛细填缝而实现连接的一类连接方法。这些连接方法各有优点和局限性，适合于不同的材料和结构。陶瓷/金属连接研究发展到今天，已经有很多连接方法，主要有：（1）粘合剂粘接；（2）机械连接；（3）自蔓延高温合成连接；（4）熔焊；（5）钎焊；（6）扩散焊等。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两种材料结合在一起。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。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。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。陶瓷和金属的连接采用一般的熔焊方法比较困难，主要表现在如下几个方面：（1） 热应力和热冲击等问题严重，集中加热易产生裂纹；（2） 某些陶瓷如Si3N4熔化前将升华或分解，而MgO等熔化时迅速蒸发，常压下无法熔焊;多数陶瓷导电性差，电阻焊法难以应用。目前，陶瓷金属的熔焊主要是激光熔焊和电子束焊。采用高能电子束连接陶瓷和高熔点金属(如Mo,Pt)是利用高能电子束加热速度快和金属材料相对于陶瓷材料比热容低的特点，在陶瓷不分解和熔化的条件下使金属熔化并形成连接。采用这两种连接方法虽然速度快，效率高，可以制造高温下稳定的连接接头，但是为了降低连接应力，防止裂纹的产生，必须采用辅助热源进行预热和缓冷，而且工艺参数难以控制，设备投资昂贵。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、机械连接等多种连接方