陶瓷-金属焊接工艺的研究进展

陶瓷-金属焊接工艺的研究进展

0复合构件的制备方法陶瓷材料具有优异的耐耐性、耐腐蚀性、低密度、耐绝缘性等特点。广泛应用于汽车、军队、电子、航空和其他领域。然而陶瓷塑性差、脆性高的特点一方面造成了形状复杂的陶瓷零件加工成型困难,另一方面决定了其在单独使用过程中抵抗热应力和冲击载荷的能力差。根据使用要求选择有效的连接方法,将陶瓷与金属连接起来获得陶瓷-金属复合构件,能把二者的优点结合起来,充分发挥陶瓷材料的优异性能并拓宽其应用范围。陶瓷与金属的连接方法主要分为机械连接、粘接和焊接。目前用于连接陶瓷和金属的机械连接方法主要包括栓接和热套,但这两种方法均有很大的局限性。栓接需要在陶瓷上钻孔,加工难度大,且接头缺乏气密性;热套则会产生很大的残余应力,且为保证有效的气密性连接件工作温度不能过高。粘接操作简单,接头气密性好,但强度通常较低,且不适合在高温下使用,长期使用时接头性能还会随粘接剂的老化而下降。与上述两种方法相比,焊接接头强度高,耐高温,又能保证一定的气密性,且对连接件几何形状和尺寸要求不高,适用范围更广。因此,陶瓷-金属焊接方法的研究已成为人们关注的热点。1陶瓷-金属焊接焊接用于连接金属已经相当成熟。然而由于陶瓷与金属性质上的巨大差异,常规的焊接方法并不适用于二者的连接。陶瓷与金属化学键结构的根本不同以及陶瓷本身特殊的物理化学性质决定了陶瓷与金属的焊接存在以下的特点和难点:(1)陶瓷通常很难被熔化的金属润湿;(2)陶瓷与绝大多数金属的热胀系数差大,通过加热连接陶瓷与金属时,接头中易产生残余应力,削弱了接头的力学性能;(3)陶瓷热导率低,耐热冲击能力弱,集中加热易产生裂纹,故应减小焊接区域的温度梯度,并控制加热和冷却速度;(4)陶瓷熔点高,硬度和强度高,不易变形,扩散连接时要求被连接体表面非常平整清洁;(5)大部分陶瓷导电性很差或基本不导电,很难采用电焊方法连接。归结到陶瓷-金属焊接中的两个关键问题:一是改善金属在陶瓷表面的润湿;二是缓解焊接接头的残余应力。目前解决第一个问题主要依靠陶瓷表面金属化或在普通钎料中添加活性元素;第二个问题则主要采用添加中间层的办法,既可以是塑性中间层,也可以是热胀系数与陶瓷相适应的中间层。2热压方法下的连接几十年来,人们相继研究了多种陶瓷-金属焊接方法。在这些方法中,较为成熟的是钎焊和扩散连接,此外还有过渡液相连接、自蔓延高温合成连接、热压反应烧结连接、摩擦焊等。2.1活性焊接工艺在陶瓷与金属的钎焊连接中,钎料在陶瓷上良好的润湿性能是实现有效冶金连接的前提。根据改善润湿性的不同,陶瓷与金属的钎焊可分为两类:一类是先对陶瓷表面进行金属化处理,再使用常规钎料连接,称为间接钎焊;另一类是直接采用含有活性金属元素的钎料进行连接,又称为直接钎焊或活性钎焊。用于陶瓷表面预金属化的方法主要有Mo-Mn法、化学镀、气相沉积和离子注入等。Mo-Mn法提出较早,是现代陶瓷金属化的基础。其一般工艺过程为:将MnO2与Mo的粉末用粘接剂粘到陶瓷表面,在1000～1800°的N2或H2中烧结,表面形成玻璃相,同时部分金属氧化物被还原,产生金属表面层,最后在表面涂上一层金属(常用镍)。Mo-Mn法由于耗时耗能,目前很少采用。化学镀也成功用于陶瓷表面的金属化。张永清等用化学镀的方法在Al2O3陶瓷表面镀Ni,厚度约48μm,然后在辉光钎焊炉中用Ag-Cu钎料与Q235钢钎焊连接,接头剪切强度达到了78MPa。气相沉积法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和等离子反应法。对于AIN、SiC等非氧化物陶瓷与金属的连接,大多采用PVD法。文献介绍了一种应用脉冲等离子束和PVD法对Al2O3陶瓷预金属化表面改性的方法,5次脉冲后陶瓷表面形成纳米尺度厚度的TiOx膜,再用PVD法沉积约2μm厚的Ti2()或金属Ti;改性后的Al2O3陶瓷在初始压力为10-4Pa的真空炉中采用AgCu28合金钎料与可阀合金钎焊连接,接头抗拉强度达90MPa。朱胜等研究了用射频溅射薄膜改善AIN陶瓷与金属连接性的方法:用射频溅射法将Ti、Al沉积到AIN表面,然后在真空炉中用厚度为0.1mm的CBl料(AgCu19.5Ti3In5)钎焊连接AIN(Ti膜)-Cu、AIN(AI膜)-Cu;加压所配质量20g,温度1173K,保温20min,接头的平均剪切强度分别达到120MPa和127MPa。与相同工艺条件下未经表面改性的Al/CBl/Cu钎焊相比,强度提高了30MPa以上。相同工艺下采用相同钎料连接AlN陶瓷与FeNi42,接头剪切强度达到了176MPa。活性钎焊不需对陶瓷表面预金属化,工艺过程相对简单。采用活性钎焊时,钎料中最常添加的活性元素是Ti,其次是Zr、V、Cr等。钎焊过程中,活性元素与陶瓷表面发生化学反应形成反应层。一方面反应层中的反应产物大都具有与金属相同或相似的结构,可以被熔化的金属润湿;另一方面界面反应在金属钎料与陶瓷间形成新的化学键,强化了二者间的冶金接合。由于活性元素化学性质活跃,高温下易与空气中的氧气等发生化学反应,因此活性钎焊通常在真空或惰性气体保护下进行。以纯度99%的A12O3陶瓷与纯金属Ni的钎焊为例,采用Ni51Ti49合金钎料(熔点约1240℃),在真空度为2×10-3Pa、温度为1270～1300℃的真空炉中钎焊,保温20min,钎焊完成后样品随炉冷却至室温。X射线分析表明,反应界面上形成了TiO相和Ti2O相。表1列出了一些陶瓷与金属活性钎焊连接工艺参数和接头强度的测试结果,可见钎料和工艺参数的选择对接头强度具有重要影响。为缓解因接头的残余应力,提高接头强度,多采用添加中间层或对焊缝采取强化措施的办法。朱定一等研究了在Al2O3陶瓷与金属Ni之间加入一层金属Mo网对钎焊接头强度的影响,发现金属网的加入对钎料凝固收缩应力有分割相消的作用,焊接强度比无金属网时提高了50%以上。2.2金融线段连接扩散连接通常是指热压扩散连接,是固相连接的一种方式,可分为无中间层的直接扩散连接和有中间层的间接扩散连接。为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数差异引起的残余应力及控制界面反应,连接陶瓷与金属时一般都采用有中间层的间接扩散连接。连接过程中,陶瓷与金属的连接表面在一定的高温和压力作用下相互靠近,金属局部发生塑性变形,二者接触面积增加,原子间发生相互扩散,从而形成冶金接合。影响扩散连接的参数主要有温度、压力、时间、气体介质、母材表面状态和中间层的选择等,其中最主要的是温度、压力和时间。温度影响被焊材料的屈服强度和原子扩散行为,对消除孔隙起着决定性的作用,通常控制为0.6～0.8Tm,(Tm,为受焊母材和反应生成物中熔点最低者的熔点)。所需压力通常保持在稍低于所选温度下的屈服应力,一般为3～10MPa。形成接头所需保温时间与接头的组织和成分的均匀化密切相关,主要取决于连接材料的冶金特性及焊接时的温度和压力。表2列举了热压扩散连接陶瓷与金属的一些实例。2.3复合中间层材料的设计在钎焊和扩散连接中,为获得高温性能良好的接头,势必要采用高熔点钎料或中间层并提高焊接温度,但过高的温度会增加接头热应力,并有可能破坏母材的组织和性能。过渡液相连接提供了一种在较低温度下获得良好高温性能接头的途径。连接过程中,中间层并不完全熔化,只出现一薄层液相,在随后的保温过程中,液态低熔点相逐渐被消耗转变为固态高熔点相,从而完成连接,因而又被称为局部过渡液相(PTLP)连接。由于陶瓷中的扩散比较困难,因此低熔点相的消耗很难靠陶瓷来进行,一般都用多层复合中间层来实现。连接的关键是复合中间层材料的设计。复合中间层由2层以上熔点和活性不同的金属或合金组成,且必须满足以下条件:(1)在较低的连接温度下,能够通过低熔点层的熔化或复合层之间的相互反应形成一薄层液相,且该液相能与陶瓷反应形成牢固的结合界面;(2)在连接温度下,薄层液相能与高熔点层相互快速扩散并形成以高熔点层原始成分为主的均匀组织;(3)接头的焊缝组织熔点比连接温度高且高温性能好。杨敏等采用Nb/Cu/Ni复合中间层,在真空炉中连接Si3N4陶瓷与Inconel600Ni基高温合金(1130℃下保温50min,连接压力5MPa),接头剪切强度达到87MPa。2.4梯度焊料表面活性剂自蔓延高温合成(SHS)是利用化学反应自身放热来制备材料的新技术,其反应体系一般为强放热体系,原料坯体一经点燃,不需外界能量就可以依靠自身放出的热量将反应维持下去。陶瓷-金属自蔓延高温合成连接以SHS反应放热为热源,并由反应的产物来实现二者的连接。焊接时可利用反应原料(配制的梯度焊料)在焊缝合成功能梯度材料(FGM),从而有效克服母材间化学性能、物理性能及机械性能的不匹配;可在反应物中添加增强相如增强粒子、短纤维、晶须等,形成复合焊料。文献中用含Ti、Ni、C粉的简化梯度焊料焊接了SiC陶瓷与GH128Ni基高温合金,焊接区域界面结合良好,焊料与受焊母材之间发生了元素扩散。何代华等采用Ti、B、Fe粉不同比例的混合焊料,在放电等离子烧结(SPS)炉中连接TiB2和金属Fe,确定最佳焊接温度为1000℃,焊接压力为30MPa,焊接过程中真空度应优于6MPa。随中间焊料层Fe的增加,反应生成物中TiB2的含量将会减少,并有TiB生成,界面结合较好。SHS法的显著特点是能耗低,生产效率高,对母材热影响小,通过合理设计反应产物还可以降低接头应力。但燃烧反应可能引入气体和其它杂质,易于产生气孔等缺陷,因此最好在保护气氛下连接并适当加压。目前主要存在的问题是反应速度太快,不利于控制接头部位的组织和性能。2.5复合焊料的界面反应热压反应烧结连接是利用粉末材料作为焊料,在热压作用下,使焊料与母材在界面处发生相互扩散和界面反应,实现界面的冶金结合,同时焊料本身也实现致密化,或兼发生化学反应,从而实现母材的连接。控制焊接温度,使焊料产生一定的液相,并在界面发生反应是焊接的必要条件,但出现的液相不能过多;界面反应主要通过焊料中金属元素向陶瓷中的扩散来实现;焊缝区焊料中产生的细小孔洞能有效缓解焊接残余热应力。段辉平等用Ti-Ni-Al金属复合焊料粉末,在Gleeble1500热模拟机上以自阻加热方式热压反应烧结连接SiC陶瓷和GH128镍基高温合金,焊接温度600C时焊接强度为72MPa(Φ10mm×50mm圆棒非标准试样,四点抗弯强度),达到了陶瓷强度值的80%。界面处形成了约1μm厚的成分过渡区,这主要是因焊料中铝原子向陶瓷中扩散所引起的。微观结构分析表明,在界面反应形成冶金结合的同时,熔化的焊料可以渗透到陶瓷的开孔中,冷却后形成机械咬合。2.6金属膜覆盖法—摩擦焊摩擦焊是连接陶瓷与金属,使陶瓷和金属焊件的待接表面相对高速旋转、接触并加压摩擦,待金属连接表面加热至塑性状态后停转,再施加较大的顶锻力使陶瓷与金属连接在一起。摩擦过程中,要求金属必须能润湿和粘附陶瓷,在实际接触点形成粘附接点。随着摩擦的进行,这些接点或从界面或从金属侧界面附近被切断。这时,金属碎片迁移到陶瓷表面,并在极短的时间内形成完全覆盖陶瓷表面的金属膜。金属膜形成滞止层,摩擦平面沿轴向移到金属上,使摩擦变为在两个金属表面之间进行,最终在摩擦面上形成增塑层。增塑层的位置与厚度取决于摩擦速度和轴向压力。大部分热量是由金属在增塑层上搅拌时产生的。生产效率高是这种方法的显著特点,一般可在几秒钟内完成连接。但该方法仅限于圆棒、管件的焊接,尤其要求金属和陶瓷间能够润湿,因此应用范围很有限。目前这种方法已实现了ZrO2陶瓷与铝合金的连接,接头的剪切强度平均在20～50MPa之间。3研发活性焊接、扩散连接在现有设备中的应用,后将发展到更高的设备除以上介绍的外,用于陶瓷-金属焊接的其它方法还有高能束焊、场助扩散连接、超声连接以及气体-金属共晶法等。活性钎焊是最常用的方法,应用范围也最广。但当接合面较大或钎焊温度受限时,焊接前仍需要对陶瓷进行表面金属化处理,且预金属化处理的间接钎焊法更适合规模化的工业生产。此外,活性钎料的成本和耐蚀性也是亟待解决的问题。扩散连接更有利于接头的耐高温和耐腐蚀性能,但所需设备复杂.成本也较高,对连接表面要求高,连接温度高、时间长,且仅适合体积小、形状简单的零件。钎焊和扩散连接最成熟,但其共同缺点是连接温度都较高,焊接中产生的热应力也很大,