《钎焊》课件 第10、11章 无机非金属材料的钎焊；工具钢、钛合金及难熔合金的钎焊

钎焊SolderingandBrazing第10章

无机非金属材料钎焊制作者：制作：第10章无机非金属材料钎焊本章主要内容：10.1陶瓷钎焊10.1.1陶瓷分类与性能 10.1.2陶瓷钎焊性 10.1.3陶瓷钎焊工艺特点 10.2碳材料钎焊10.2.1碳材料种类与性能 10.2.2石墨钎焊10.2.3金刚石钎焊 10.2.4碳/碳复合材料钎焊 10.3硬质合金钎焊10.3.1硬质合金的分类及性能 10.3.2硬质合金钎焊 10.4本章小结10.4.1陶瓷钎焊 10.4.2碳材料钎焊 10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.陶瓷的分类和性能陶瓷材料通常是指将金属或类金属与氧、氮、碳等原料，经制粉、混合配料、成形和高温烧结等过程合成的无机化合物材料。陶瓷晶体一般通过离子键和共价键的混合形式结合。10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.陶瓷的分类和性能陶瓷材料功能结构陶瓷以强度、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征相比金属或高分子材料，结构陶瓷可承受更加严酷的服役环境功能陶瓷以电、磁、光、声、热、力等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征主要包括铁电、压电、介电等新型陶瓷材料氧化物陶瓷Al2O3、SiO2、ZrO2、BeO等碳化物陶瓷WC、ZrC、SiC、TiC、B4C等氮化物陶瓷ZrN、Si3N4、TiN、BN、AIN等常见的工程结构陶瓷10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.陶瓷的分类和性能陶瓷内部存在大量微气孔，致密程度比金属差，抗拉强度很低但抗压强度较高陶瓷内部滑移系很少，抗冲击能力较差，受外力作用时易发生脆性断裂陶瓷具有极为稳定的化学结构：难以与介质中的氧发生作用，甚至在1000℃的高温下也不会氧化，并且大多可抵抗酸、碱、盐类以及熔融金属的腐蚀常见结构陶瓷物理性能和力学性能相容性差陶瓷结合键稳定，金属钎料难润湿陶瓷。钎料加Ti、Zr等过渡族活性元素，反应形成过渡层实现润湿。10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.陶瓷的钎焊性10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.陶瓷的钎焊性陶瓷与金属物理化学性质差异大，尤其热膨胀系数不同，导致钎焊过程中二者膨胀收缩不一致，焊后接头残余应力大或出现应力集中，降低力学性能。为缓解陶瓷钎焊接头残余应力、提高力学性能，通常采用特殊结构设计或通过钎料来调节。应力大10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.陶瓷钎焊工艺特点陶瓷钎焊工艺原理活性钎料钎焊玻璃钎料钎焊表面金属化钎焊复合钎料钎焊10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.陶瓷钎焊工艺特点1.表面金属化钎焊Mo-Mn金属化法由陶瓷表面处理→剂化→配制与涂敷→金属化烧结→镀镍等工序组成。烧结过程中膏剂中的Mn湿氢气中与水反应生成MnO，高温下MnO溶入陶瓷中的玻璃相并流动至Mo层空隙及氧化铝陶瓷中渗透，高温下烧结形成海绵状的金属化层。化学镀金属化法没有外加电场的环境下利用材料表面的自催化作用，通过控制化学还原法进行金属沉积。包括基材表面除油和酸洗、催化活化、施镀等。可在形状复杂的零件上镀覆，镀层厚度均匀。为解决金属钎料与陶瓷不润湿，可通过在陶瓷表面镀覆一层金属，将陶瓷钎焊转化为金属钎焊。陶瓷表面金属化钎焊是采用烧结或其它方法在陶瓷表面预置一层金属作为中间层，再采用钎料将陶瓷表面层金属与金属进行钎焊连接。10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.陶瓷钎焊工艺特点

玻璃钎料钎焊以氧化物混合物为钎料，高温下氧化物形成共晶熔化实现钎焊。常用钎料：Al₂O₃-MnO-SiO₂系、Al₂O₃-CaO-MnO-SiO₂系。对氧化物陶瓷、难熔金属等润湿性好，可调整成分使线胀系数接近母材。2.玻璃钎料钎焊Al-Ca-Mg-Ba-Y体系主要成分:Al₂O₃,CaO,MgO,BaO,Y₂O₃多元复杂体系，熔点较高Si-B-Al-Li-Ca-P体系SiO₂,B₂O₃,Al₂O₃,Li₂O,CaO,P₂O₅硅基体系，具有相对较低的熔点Al-Ca-Ta-Y体系主要成分:Al₂O₃,CaO,Ta₂O₃,Y₂O₃包含Ta、Y等特种元素，熔点适中Al-Dy-Si体系主要成分:Al₂O₃,DyO₂,SiO₂含稀土元素Dy，需要极高的温度进行熔制典型的氧化物钎料配方10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.陶瓷钎焊工艺特点

活性钎料钎焊用含活性组元的金属钎料，通过其与陶瓷反应形成稳定反应层实现陶瓷与金属连接。活性元素：Ti、Zr等过渡族元素，化学活性强、对氧化物等亲和力大。3.活性钎料钎焊微观结构：SiO₂-BN陶瓷侧形成均匀致密的TiN-TiB₂反应层；因瓦合金中Ni、Fe溶入钎缝并与Ti反应生成黑色TiFe₂、TiNi₃化合物；钎缝中心为层片状AgCu共晶组织。性能结果：反应层无缺陷且AgCu共晶塑性好，接头抗剪强度达32MPa。

10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.陶瓷钎焊工艺特点

在其它金属-陶瓷连接体系中，AgCuTi钎料也起到了同样的作用。3.活性钎料钎焊母材体系工艺参数反应层接头强度/MPaAl2O3/TC4820°C/10minTi3Al+Ti3Cu3O52Al2O3/Nb900°C/10minTi3(Cu,Al)3O152ZTA/TC4870°C/10minTiO+Ti3(Cu,Al)3O52ZrO2/TiAl880°C/10minTiO+Ti3(Cu,Al)3O48SiO2/Cu850°C/5minTi5Si3+Ti4O7+Ti2Cu+Ti3Cu3O22ZrC-SiC/TC4810°C/5minTiC+Ti3SiC239Si3N4/TiAl860°C/5minTiN+Ti5Si3+AlCu2Ti124AlN/Cu900°C/15minTiN52接头反应层均含Ti，其通过与陶瓷发生界面反应，形成兼具陶瓷和金属特性的化合物反应层，实现金属与陶瓷连接。Zr元素与Ti同属过渡族，可作活性元素与陶瓷反应，形成Zr-O、Zr-N等化合物反应层，作用机制与Ti类似；添加方式同Ti，因易氧化，粉末机械混合时常用金属氢化物。10.1陶瓷钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊4.复合钎料钎焊复合钎料钎焊是向钎料合金中添加低热膨胀系数的陶瓷/金属颗粒、纤维等增强体，制成复合材料钎料；通过增强体降低钎料热膨胀系数，减小与母材的系数差异，从而缓解接头残余应力、提升接头性能。增强体选择：需综合考虑熔化温度、热稳定性、热膨胀系数、形状尺寸及与钎料基体的相容性。常用WB、Mo、W、SiC、Si₃N₄、TiN等低膨胀金属或陶瓷颗粒作为增强相。用AgCu钎料及AgCu+7.5%WB复合钎料（质量分数）钎焊ZrO2陶瓷与TC4合金。WB颗粒增强相均匀分布在钎缝界面中，可降低热膨胀系数差异，有效缓解接头残余应力，接头强度达到83MPa，较直接采用AgCu钎料时提高了60%。ZrO2/TC4接头界面组织形貌10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.碳材料种类与性能10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.碳材料种类与性能碳/碳复合材料是由以碳纤维或其织物作为增强相，以借助化学气相渗透热解碳或液相浸渍碳化的树脂碳、沥青碳作为基体组成的材料。它具有良好的抗烧蚀性能、高比强度、高导热、低密度、高温下尺寸稳定等优异特性，在航天、航空、核能和高速列车领域中的关键部件上应用。石墨是碳的同素异形体，密度2.25g/cm³，化学性质稳定、耐腐蚀，不易与酸、碱反应。为层状晶体，层内碳原子呈正六边形排列，通过σ键和离域大π键结合；σ键赋予其良好化学与热稳定性，离域大π键使其导热导电优良。广泛用于制作热交换器、高温炉、电极等。金刚石是碳在高温高压下结晶的高压稳定产物，每个碳原子以sp³杂化轨道形成共价键，C-C键长0.154nm，共价键贯穿整个晶体。晶体解体困难，使其具备极大硬度和耐磨性，是自然界硬度最高的物质，常用作切削刀具或硬度测试工具。多数金刚石晶体为绝缘体，因所有外层电子均参与成键；仅含杂质B的金刚石电阻率较低。具有良好透光性、高传声速度、高热导率和抗辐射性，广泛用于制作超级热沉、激光器窗口等10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.碳材料种类与性能10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊接头应力大润湿性差石墨的氧化石墨主要含有共价键，具有非常稳定的原子配位使其化学惰性比较高，一般金属钎料难与其发生相互作用2.石墨钎焊(石墨钎焊性)10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊润湿性差接头应力大石墨的氧化石墨的热膨胀系数（CTE）小于多数金属，钎焊冷却时二者收缩过程与收缩量不同。金属收缩受石墨阻碍，导致石墨侧接头形成高应力区域；因石墨抗拉强度低，在残余应力作用下易产生裂纹或直接断裂材料线膨胀系数（α）/(10⁻⁶/℃)天然石墨（平行于层面）1.0-2.0纯铜（Cu）16.5-17.0黄铜（H62，Cu-Zn）19.0-20.5不锈钢（316L）15.0-16.0纯钛（Ti）8.6-9.0钛合金（TC4）8.8-9.52.石墨钎焊(石墨钎焊性)10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.石墨钎焊(石墨钎焊性)润湿性差石墨的氧化接头应力大石墨钎焊通常可以在大气环境下实现，但当温度超过400℃时会出现迅速氧化的问题，温度越高，氧化越明显，从而损害接头性能。10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.石墨钎焊(石墨钎焊工艺特点)直接钎焊间接钎焊需对石墨进行表面处理，如在石墨表面电镀一层Ni、Cu或等离子喷镀一层Ti、Zr等，然后采用铜基钎料或银基钎料进行钎焊。通过钎料中活性元素与石墨反应，在石墨表面生成金属碳化物，降低界面能以改善钎料润湿性。可采用Ag基、Ti基、Sn基等钎料。钎焊一般需在真空或保护气氛中进行。石墨与金属的钎焊0201Ag基钎料AgCuTi钎料是钎焊石墨最常用的活性钎料。钎焊时Ti向石墨侧富集并反应形成TiC层，是润湿和有效连接的关键；Ag未参与反应，起缓解应力和增强Ti原子活性的作用。Ti与C在界面形成TiC过渡层，Ag、Cu不参与石墨侧反应但与紫铜润湿性好；钎缝中银铜共晶组织塑性好、屈服强度低，可降低接头残余应力。AgCu1.8Ti钎料钎焊石墨与紫铜陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊

纯钛可钎焊石墨，但因与石墨亲和力大，会生成大量Ti-C化合物并在界面富集，导致界面残余应力大、产生微裂纹，使接头质量下降。一般采用Ti基合金钎料钎焊石墨，常见有Ti-Ni、Ti-Zr、Ti-Cu等。钎缝主要由复杂的Ti-Ni-Cu相组成，石墨侧有Ti元素富集，Ti与石墨作用形成的TiC薄层是连接关键。Ti基钎料

Sn基钎料熔点低，可在超声条件下实现石墨低温钎焊；低温能大幅降低接头热应力峰值，但仅适用于低温服役的接头。活性钎焊石墨通常需高温以满足活性元素与石墨的反应需求，而外加超声能场无需真空即可连接；超声波使液态钎料内部产生热点，促进Ti与石墨作用形成致密TiC

薄层，实现低温连接。Sn基钎料10.2碳材料钎焊2.石墨钎焊(石墨钎焊工艺特点)10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊性)接头应力大润湿性差高温石墨化金刚石特殊晶体结构使其与金属间界面能高。多数液态金属在金刚石上黏附性低，导致很多钎料难润湿或不润湿金刚石。钎焊金刚石需采用活性钎料。金刚石与金属的润湿性，和金属-碳化物体系的生成焓有关。Ti、Zr等活性元素易与碳形成化合物，能降低对应钎料与金刚石的界面能，帮助改善润湿。金刚石晶体碳原子结构和生成的碳化物越相近，润湿性越好。陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊润湿性差接头应力大石墨的氧化金刚石工具常承受交变剪应力，较高残余应力会恶化钎焊接头性能，缩短使用寿命降低热应力方法：减小钎焊面积和拘束度；用W、Mo等与金刚石热膨胀系数相近的材料作中间过渡层；采用低热膨胀系数颗粒增强的复合钎料。10.2碳材料钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊性)陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊润湿性差石墨的氧化接头应力大高温下金刚石会被碳化为石墨，将使金刚石的性能大幅下降，所以钎焊金刚石时要严格限制其工艺区间，进而限制了钎料的选择范围空气环境温度≥800°C10.2碳材料钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊性)陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊金刚石与金属的钎焊间接钎焊

金刚石钎焊前需先在其表面沉积金属层或碳化物薄层。后续需高温退火处理，使金刚石与表面薄层形成有效冶金结合，且退火温度需尽量远离金刚石石墨化温度。可用于表面处理的金属元素有Cr、Ti、Zr、Ta等。直接钎焊活性钎料钎焊时，为避免活性元素氧化失活，一般需在真空环境或保护气氛下进行。钎焊金刚石常用的钎料主要有Ni基、Ag基、Cu基和Sn基钎料等。10.2碳材料钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊工艺特点)陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊Ag基钎料可用于金刚石钎焊，如AgCuTi合金钎料，其熔点较低，能降低金刚石石墨化倾向。AgCuTi钎料通过Ti原子在金刚石表面富集并生成连续TiC反应层实现连接，Ag-Cu塑性优良，利于缓解接头应力、提高强度。但Ag基钎料价格昂贵，需降低Ag含量并添加Cu、Zn、Cd等元素，可大幅降低熔点，改善润湿性、流动性和导热性，减少钎缝中气体量。Ag基钎料01Ni基钎料主要用于金刚石真空钎焊，向其中加适量Cr，Cr与金刚石中C反应生成Cr₃C₂、Cr₇C₃碳化物，可实现金刚石与工具基体可靠连接，还能提高钎料抗氧化性、抗腐蚀性和热强性。Ni基钎料熔点约1000℃，钎焊时Ni、Fe易导致金刚石石墨化；用Ti替代Cr制成Ni-Ti合金钎料，钎焊温度可控制在800℃以下，能降低金刚石石墨化倾向。Ni基钎料02金刚石/Ag-Cu-In-Ti/Cu接头的SEM图像Ni-Cr-Gd钎料钎焊金刚石10.2碳材料钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊工艺特点)陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊Cu基钎料可用于金刚石的氩弧、激光、液态介质及真空钎焊，熔点较低，能明显降低金刚石钎焊的热损伤倾向。常用CuSnTi合金钎料，如CuSn15Ti5，熔点约900℃，固相线温度小于850°C。Cu基钎料塑性比Ag-Cu合金更好，利于缓解接头应力，但耐磨性和耐高温性能较差。Cu基钎料03常规Ni基、Cu基、Ag基钎料熔点高(880℃以上)，钎焊时易导致金刚石热损伤Sn基钎料由Cu基钎料发展而来，具有熔点低、成本低的特点。如Sn50Cu2Cr钎料，完全熔化温度约694℃，750℃即可实现金刚石连接；低于800℃钎焊时，金刚石出露度适当、无明显热损伤，切削效率相对较高。Sn基钎料04Cu-20Sn-10Ti钎料钎焊金刚石

Sn50Cu2Cr钎料钎焊金刚石宏观形貌10.2碳材料钎焊3.金刚石钎焊(金刚石钎焊工艺特点)10.2碳材料钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊4.碳/碳复合材料钎焊（碳/碳复合材料钎焊性）界面氧化问题材料孔隙结构问题材料各向异性碳/碳复合材料制造过程中会产生孔隙，主要是纤维束间孔和纤维束内孔。纤维束间孔对钎焊接头质量影响较大，一方面会导致钎料流失，另一方面易在此处形成裂纹源。陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊材料孔隙结构问题界面氧化问题材料各向异性碳/碳复合材料与石墨氧化不同，其氧化起始温度为370℃，且氧化首先发生在纤维与基体的界面处。碳/碳复合材料氧化失重1%时，其力学性能约下降10%。钎焊碳/碳复合材料时，需在惰性气体保护或真空环境下进行盐雾腐蚀后10.2碳材料钎焊4.碳/碳复合材料钎焊（碳/碳复合材料钎焊性）陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊材料孔隙结构问题材料各向异性界面氧化问题碳/碳复合材料具有各向异性，垂直与平行于长纤维束方向的性能差异较大为避免钎焊时碳/碳复合材料发生层间撕裂，需根据服役性能要求选择与设计待焊面。10.2碳材料钎焊4.碳/碳复合材料钎焊（碳/碳复合材料钎焊性）陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊碳/碳复合材料钎焊间接钎焊

碳/碳复合材料的间接钎焊法需要长时间的高温退火以实现较好地冶金结合，工艺繁琐，目前采用较少。直接钎焊直接钎焊法应用广泛，采用的钎料主要有Ag、Ti、Ni和Si基钎料。Ag基钎料Ag基钎料是钎焊碳/碳复合材料最常用的钎料，典型代表为AgCuTi钎料，性能更优的有Ag20Ti钎料。Ag20Ti钎料钎焊温度通常需1000℃，获得的接头强度较高，但Ag基钎料整体难以满足接头高温服役要求。Ag基固溶体能让钎缝具备良好塑性，缓解接头应力集中；钎料中Ti元素在碳/碳侧富集形成约5微米的TiC薄层，实现冶金连接，连接强度约12.5MPaAg26.7Cu4.6Ti钎料在920℃实现C/C复合材料与TiAl合金的连接10.2碳材料钎焊4.碳/碳复合材料钎焊（碳/碳复合材料钎焊性）陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊4.碳/碳复合材料钎焊-金刚石钎焊工艺特点

为提升接头高温性能，多采用Ti、Ni基钎料钎焊碳/碳复合材料。使用20微米BNi2箔片，在1170℃钎焊10分钟，可完成碳/碳复合材料与GH3536合金的连接；BNi2中Cr与碳/碳复合材料反应形成数微米Cr₂₃C₆反应层，接头强度约15MPa，1000℃环境下仍保留一定强度。其他如BNi7钎料、30Ni–40Cr–30Ge、Ni-72Ti、TiZrNiCu等，在900-1100℃左右也可获得高温性能优良的钎焊接头。Ti、Ni基钎料

Si与C物化性能相近，用200~700微米Si箔片，在1400℃、90分钟、氩气保护条件下，可实现碳/碳复合材料钎焊，接头强度22MPa。向Si中添加Ti、Zr等元素制成Si14Ti、Si10Zr、SiNiTi等Si基钎料，能提升接头性能、降低钎料熔化温度，可良好连接碳/碳复合材料且满足高温性能要求，多用于该材料自身的钎焊。Si基钎料C/C/BNi2/GH99接头界面SiC钎料钎焊Cf/C的扫描电镜图像10.2碳材料钎焊10.3硬质合金钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊1.硬质合金的分类硬质合金：以高硬度的难熔金属硬质化合物（如WC、TiC、TaC、NbC和VC等）为基体，铁族元素（Fe、Co、Ni、Mo等）以及其它微量元素作为粘结金属，采用粉末冶金技术烧结而成的合金材料。

钨钴类主要成分是WC，用Co作粘结金属，标准代号为YGX（X代表Co含量）常用的YG3、YG6、YG8、YG15等硬质合金钨钛钴类由WC、TiC和Co组成，标准代号为YTX（X代表TiC含量）分为YT5、YT14、YT15、YT30等合金类别钨钛钽（铌）钴类在钨钛钴合金成分中加入TaC(NbC)而成，标准代号为YW陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.硬质合金钎焊性接头应力大润湿性差加热脆化硬质合金表面的游离碳以及高温时生成的氧化物，阻碍钎料的润湿纯WC表面上不同Ag基钎料的润湿性能对比图Cu合金在WC及硬质合金的润湿行为10.3硬质合金钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.硬质合金钎焊性润湿性差接头应力大加热脆化两种材料热膨胀系数相差悬殊，焊接热循环下接头形成应力集中，应力复杂难调控焊缝处强失配、非平衡冶金钢：CTE约为12CTE为4.2-710.3硬质合金钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊2.硬质合金钎焊性润湿性差加热脆化接头应力大钎焊过程中，硬质合金中的WC发生分解，分解产物与金属反应生成形成脆性η相，导致接头可靠性差YG16焊缝WCη相YG16焊缝10.3硬质合金钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3硬质合金钎焊工艺特点——钎料选择Cu基、Ag基钎料、Ni基及Mn基钎料常可用于钎焊硬质合金，其中Cu基及Ag基钎料较为常用纯Cu对硬质合金具有良好的润湿性，但钎焊温度较高，且高温性能较差Cu基钎料一般以Cu-Zn合金为基，Zn元素可有效降低钎焊温度Ag基钎料主要以AgCu合金或Ag-Cu-Zn合金为基，并添加Ni、Mn、Sn、Co等元素纯铜钎料钎焊YG8与45钢的实验结果纯铜钎料钎焊YG8与45钢的实验结果10.3硬质合金钎焊陶瓷钎焊碳材料钎焊硬质合金钎焊3硬质合金钎焊工艺特点——钎剂选择硬质合金钎焊温度不宜过高，防止造成硬质合金加热脆化硬质合金与钢之间的热膨胀系数差异较大，当加热过快时，热应力会使界面开裂，焊前预热能降低裂纹倾向硬质合金焊后必须缓冷，以减少界面应力集中及微裂纹产生钎焊间隙也对接头性能有一定影响，减小间隙能促进冶金反应，增大间隙有利于应力缓和不同温度时Cu-19Ni-5Al焊接硬质合金接头剖面形貌1210℃1230℃10.3硬质合金钎焊10.4本章小结1陶瓷钎焊润湿性差接头应力大通过陶瓷表面金属化的方法，在表面镀覆一层金属，将陶瓷钎焊转化为金属钎焊。包括Mo-Mn金属化法和化学镀金属化法。表面金属化钎焊常用的氧化物混合物有Al2O3-MnO-SiO2系和Al2O3-CaO-MnO-SiO2系。调整氧化物混合物的成分使其线胀系数与母材接近。利用钎料中的活性组元，如Ti、Zr、Hf、V、Nb等具有很强的化学活性的元素，与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应层，实现陶瓷与金属的连接。玻璃钎料钎焊活性钎料钎焊2碳材料钎焊-石墨和金刚石间接钎焊前，对石墨进行电镀Ni、Cu或喷镀Ti、Zr等表面处理，然后采用铜基钎料或银基钎料进行钎焊。直接钎焊法主要靠钎料中的活性元素与石墨发生反应，生成金属碳化物，降低界面能，改善钎料的润湿性。石墨间接钎焊前，需在金刚石表面沉积一层Cr、Ti、Zr、Ta等金属层或碳化物薄层，钎焊后需要高温退火处理。直接钎焊采用活性钎料，需要在真空环境或保护气氛下进行，常用钎料主要有Ni、Ag、Cu和Sn基钎料等。金刚石润湿性差接头应力大石墨氧化金刚石高温石墨化10.4本章小结2碳材料钎焊-碳/碳复合材料以直接钎焊方法为主，可采用Ag、Ti、Ni和Si基钎料进行真空钎焊或惰性气体保护钎焊。Ag基钎料：钎焊碳/碳复合材料最常用的钎料，比较有代表性的为AgCuTi钎料，但难以满足接头的高温服役要求。Ti、Ni基钎料：提升接头的高温性能。Si基钎料：向Si中添加Ti、Zr等元素制成Si14Ti、Si10Zr、SiNiTi等Si基钎料，可以提高接头性能、降低钎料熔化温度并满足接头高温性能。直接钎焊材料孔隙结构界面氧化材料各向异性10.4本章小结3硬质合金钎焊对硬质合金、钢都具有良好的润湿性、流动性，还需具有良好的塑性，有利于缓解应力。常用钎料有Cu、Ag、Ni和Mn基钎料。钎料在进行钎剂钎焊时，推荐采用脱水硼砂（Na2B4O7）钎剂，配合纯铜、黄铜、银等钎料。可选用硼酸及其添加氟化物或氟硼酸盐的混合物。钎焊温度不宜过高，防止造成硬质合金加热脆化不宜加热过快，热应力会使Co与WC的结合界面及钎焊界面开裂；焊后必须缓冷，以减少界面应力集中及微裂纹产生。钎剂钎焊工艺润湿性差接头应力大加热脆化10.4本章小结思考题对于陶瓷、硬质合金和碳材料的钎焊，主要存在哪些共性问题？活性元素在陶瓷钎焊过程中起到什么作用？陶瓷的钎焊主要有哪两种方式？在陶瓷钎焊中，通常可以采用哪几种方法减小接头残余应力？金刚石的钎焊性如何？金刚石钎焊过程中，有哪些重要的工艺参数？适用于钎焊石墨的钎料及工艺是否适用于钎焊金刚石？石墨、金刚石、碳碳复合材料钎焊时面临哪些问题？这些问题有何联系与区别？简述硬质合金的主要分类及其成分区别。硬质合金的钎焊性分析可从哪几个角度考虑？硬质合金焊后接头脆化的原因有哪些？本章学习内容要点1.陶瓷钎焊2.碳材料钎焊3.硬质合金钎焊钎焊SolderingandBrazing第11章工具钢、钛合金及难熔合金钎焊制作者：制作：第11章工具钢、钛合金及难熔合金钎焊本章主要内容：11.1工具钢钎焊11.1.1材料分类及钎焊需求

11.1.2钎焊特点 11.1.3钎焊材料 11.1.4钎焊工艺 11.2钛及钛合金钎焊11.2.1钎焊特点 11.2.2钎焊材料11.2.3钎焊工艺 11.2.4钛合金异种材料钎焊 11.3难熔金属钎焊11.3.1难熔金属概述与特点11.3.2钎焊材料及工艺

11.4本章小结

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊1材料分类及钎焊需求核心特性：高碳含量及多种类合金元素带来高硬度、高耐磨性固有局限：脆性大，导致难以承受复杂载荷（压缩弯曲、冲击和交变载荷）因此工具钢在实际生产中常将工具钢制成小型镶嵌件，并通过钎焊方式将其牢固连接至强韧钢制成的工具基体上。碳素工具钢是高碳钢，其硬度取决于含碳量。碳素工具钢01通常含质量分数为百分之几的合金元素，如Cr、Mn、Ni等，某些钢中合金元素质量分数可高达12-14%合金工具钢02主要分为W系高速钢，代表钢号为W18Cr4V；Mo系高速钢，含钼高于8wt.%，不含W或含W不超过2wt.%，代表钢号为M1；W-Mo系高速钢，介于W系和Mo系之间，代表钢号为M2。高速工具钢03工具钢制作刀具及量具11.1工具钢钎焊工具钢的线膨胀系数与普通钢差别大钎焊是将工具钢牢固连接到钢基体上应用最广泛、最成功的方法之一保证组织及性能不受钎焊过程影响高速钢W18Cr4V的淬火温度为1206~1280℃；W9Mo5Cr4V2的淬火温度为1240~1260℃钎焊温度和淬火温度相适应，可得到切削时最大的硬度和耐磨性。钎焊后冷却产生很大应力，易导致裂纹的产生。需采取一定措施减少钎焊应力，如降低钎焊温度、钎焊前预热、焊后缓冷、选用塑性好的钎料等措施。DC53钢真空钎焊接头界面组织高速钢W18Cr4V工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊2钎焊特点

11.1工具钢钎焊黄铜基钎料银基钎料具有良好的强度和塑性，且熔点较低，钎焊接头产生的热应力较小。B-Ag50CuZnCdNi钎料对工具钢有优良的润湿性，另外，其强度及耐热性也高，钎焊接头具有良好的综合性能。黄铜中加入Mn，不仅可提高钎料的强度，还可改善对工具钢的润湿性，使钎焊接头强度得到很大提高。近年来，国内研制的801号、841号铜基钎料以及B-Cu60ZnMn钎料的应用比较广泛。B-Cu60Zn钎料适用于钎焊承受中、小冲击吸收功的工具钢。Ag基钎料主要组成为锰铁及硼砂，硼砂起钎剂作用。熔化温度一般为1250℃左右，与工具钢的热处理温度相近，接头抗剪强度约为100MPa。但这类钎料的收缩大，焊后容易出现裂纹。锰铁型钎料含Ni、Fe、Mn和Si的特殊铜合金熔点与锰铁大致相同，约为1220~1280℃。由于这类合金的收缩量比锰铁减小2/3左右，钎焊后不易产生裂纹，接头的抗剪强度可提高到300MPa以上。工具钢的钎焊常用铜基及银基钎料等，为提高钎焊接头强度及润湿性，常添加Mn、Ni、Fe等元素，钎料及相配的钎剂如下表所示钎焊工具钢时钎料、钎剂的选用工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊3钎焊材料

11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊淬火处理钎焊方法钎焊后冷却火焰钎焊

设备简单，适用于小批量生产感应钎焊、炉中钎焊及电阻钎焊生产率高，质量稳定保护气氛炉中钎焊避免钎焊时发生氧化浸渍钎焊用于钻探工具的生产，也是一种效率高，易于掌握的方法4钎焊工艺

11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4钎焊工艺

钎焊方法淬火处理钎焊后冷却工具钢的淬火处理温度一般要高于常规银基钎料的钎焊温度。因此，通常在钎焊前进行淬火，并在二次回火的处理中或处理后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火，就不能选用铜基或银基钎料。钎焊工具钢时用焦炭炉比较合适，钎焊过程中，当钎料熔化后，取出刀具，立即加压，以挤出多余钎料，再进行油淬，然后在550~570℃回火。11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4钎焊工艺

润湿性差石墨的氧化接头应力大工具钢钎焊后必须使焊件在空气中缓慢冷却，可消除接头中的应力，减少工具钢接头开裂的风险。将焊件焊后立即放到200℃左右的炉中；插入如草木灰等保温介质中，让其缓慢冷却至接近室温后取出；也可以锤击钎焊接头的反面，使应力得到一定程度的释放。11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.1工具钢钎焊4钎焊工艺

润湿性差石墨的氧化接头应力大工具钢钎焊后必须使焊件在空气中缓慢冷却，可消除接头中的应力，减少工具钢接头开裂的风险。将焊件焊后立即放到200℃左右的炉中；插入如草木灰等保温介质中，让其缓慢冷却至接近室温后取出；也可以锤击钎焊接头的反面，使应力得到一定程度的释放。T<882.5℃882.5℃<T<1668℃β-Ti（TB），体心立方晶格组织稳定、耐蚀性好、易钎焊具有良好综合性能热稳定性差，重金属合金元素多，易化学偏析α-Ti(TA)，密排六方晶格α+β钛合金中两相共存10.1016/j.jmst.2022.04.052Ti-10V-2Fe-3Al铸态合金显微组织结构工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.1工具钢钎焊4钎焊工艺

表面氧化物稳定由于高活性，钛及钛合金具有强烈氧化倾向，表面氧化膜坚韧稳定，保持钎焊质量需在整个钎焊过程中充分去除氧化膜。强烈的吸气倾向钛及其合金在加热过程中会吸收氧、氢和氮。吸气后合金的塑性、韧性急剧下降，所以钎焊必须在真空或干燥的惰性气氛保护下进行。组织和性能变化纯钛和α型钛合金不能进行热处理强化，因此钎焊工序对它们的性能影响很小。但当加热温度接近或超过α→β(或α+β→β)转变温度时，β相的晶粒尺寸会急剧长大，随后在较快的冷却速度下形成针状α′相，使钛的塑性下降。退火状态的β型钛合金组织和性能受钎焊温度的影响很小。脆性化合物钛可与大多数钎料发生合金化反应，这有利于钎料在基体上的润湿铺展，但也会产生过合金化现象，导致强烈的溶蚀或在接头中形成脆性金属间化合物弱化接头力学性能。工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊1钎焊特点

Ti6Al4V合金表面多区域生成不同孔隙率的阳极氧化膜TiAl二元相图及多种TiAl金属间化合物原子排列10.1557/JMR.1990.1662工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

软钎料：少用，特殊场合采用锡铅钎料、镉基钎料和锌基钎料。硬钎料：银基钎料纯Ag:14.5wt%固溶度，韧性的TiAg、Ti3Ag等IMC，与Ti的CTE不匹配，易产生裂纹、耐蚀性和抗氧化性差。Ag-Cu:Cu含量升高导致钎料润湿性变差，可再加入0.2~0.5wt.%Li改善。Ag-Li:低熔点，自钎剂，钛表面氧化物氮化物易于去除（得益于Li的强还原作用）。Ag-Cu-Ni:易形成IMC使接头性能降低，但加入Ni和Li可改善接头强度和韧性。Ag28Cu钎焊不同钛合金的接头显微组织a）Ti-CP2b）Ti-CP4c）Ti64d）Ti6242银基钎料具有合适的熔点，钎缝有良好塑性；缺点是对氯离子敏感，接头抗腐蚀性差，高温力学性能差。11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

2.钯基钎料Pd与多种金属高度互溶，润湿性极佳，接头高温强度好典型牌号有Pd-60Mn-10Co,Pd-50Ni-10Co3.铝基钎料主要体系有纯Al、Al-Mn系、Al-Mg系、Al-Si系有时要求需保持钛合金固溶时效热处理性能，因此钎焊温度低于/稍高于时效温度，且要求保温时间短Al-9Si-3Cu-Mg钎料超声辅助钎焊TC4合金钎焊接头Muhrat,A.,&Barbosa,J.(2021).Ultrasonic-AssistedBrazingofTitaniumJointsUsingModifiedAl-Si-CuBasedFillers:BrazingatLiquid—SemiSolidStatesunderLoad.Metals2021,11,1968.工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊可加入降低熔点元素（Cu,Ni,Zr,Be（效果显著））接头强度高、耐蚀性、耐热性好，在盐雾、硝酸、硫酸中表现优良缺点为易导致基体溶蚀和形成脆性扩散层，不适用于薄壁结构。5.非晶态钎料11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

熔点840~900℃，低于β转变温度组织均匀，润湿/流动性好，接头质量高，韧性好可预制成型（厚度仅30-50μm，常规钎料无法比拟）4.钛基钎料TC4钎焊接头（Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料）10.1016/j.jallcom.2020.156650工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊核心工艺要求：焊前清理气氛保护加热控制目的：彻底脱脂与去除氧化膜，创造洁净表面。方法：喷砂处理（机械法）HNO3+HCl溶液清洗（化学法）目的：防止氧化、吸氢、吸氮。环境：氩气真空：真空标准理论最低13.3Pa，生产要求133MPa。目的：优化微观组织策略：快速加热（高频、炉中）+短时保温效果：减薄界面化合物层提升接头性能保证钎料流满间隙11.2钛及钛合金的钎焊3钎焊工艺

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊钛合金与铝钎焊：核心价值：实现轻量化与高性能结合，降低成本。在航空航天、船舶制造及汽车工业领域广泛应用。主要挑战：理化性质差异大，残余应力高。易生成大量脆性Ti-Al金属间化合物典型钎料与性能：真空钎焊（600~620℃）Al-Ag-Cu：钛测形成TiAl3相和少量Ag2Al相；Al-Cu-Sn：形成TiAl3相和少量CuAl2相

Al-Si-Mg：形成Ti₇Al₅Si₁₂相，强度可达70MPa。炉内钎焊（530℃）Al-Si-Cu-Ge-RE(La,Pr)：稀土元素降低熔点，促进反应，强度51MPa。11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊Ti6Al4V与17-4不锈钢钎焊接头（钎料为BNi2）10.1016/j.jajp.2024.1002152.钛合金与不锈钢钎焊：主要挑战：高温下钛吸气、不锈钢和焊缝易氧化。钛与Fe、Cr、Ni等易形成TiC、TiCr、TiNi等脆性相。典型钎料与工艺：真空/氩气保护BNi7钎料润湿性最好，高Ni含量抑制β相长大，提升性能。大气条件使用添加LiF的CuCl/AgCl钎剂，可大幅提高润湿性和接头性能。3.钛合金与铜钎焊：典型钎焊例子：AgCu28钎料真空钎焊TC4钛合金与QCr0.8铬青铜接头界面组织由Ag/Cu固溶体和CuTi金属间化合物组成。强度随温度先增后降，存在最佳参数（如890℃/10min，强度449MPa）。Ti-Ni-Zr-Cu钎料钎焊薄壁TC4与TU2无氧铜良好润湿性及较高的焊接强度。母材内Ti易固溶在钎料内，可在钛合金侧镀镍(10-20μm)，有效阻隔Ti固溶。TiNiZrCu钎焊薄壁钛合金与无氧铜的接头宏观形貌及接头显微组织先进工艺-熔钎焊：热源偏向低熔点一侧，低熔点一侧为熔化焊，高熔点测为钎焊，该法可控制钛熔化量，减少Ti-Cu脆性相，提高接头力学性能。11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4.钛合金与陶瓷钎焊：核心价值：结合陶瓷的耐高温/耐腐蚀与金属的强韧性主要挑战：冶金不相容：陶瓷难以被钎料润湿物性不匹配：热膨胀系数差异导致巨大热应力解决方案：陶瓷表面预金属化或使用含活性元素(Ti)的钎料添加低膨胀增强相、使用中间层、优化接头设计典型钎料：Ag-Cu-Ti、Ag-Ti系活性钎料Ag-Cu-Ti在850-1000℃内润湿性良好，高于1000℃润湿性减弱TC4/AgCuTi/LAS复合材料钎焊接头10.1016/j.matdes.2015.08.00511.3难熔金属钎焊1难熔金属概述与特点

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊常见难熔金属有钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铌(Nb)，其熔点极高，具有强烈的亲氧性，在自然界中常以氧化物或含氧酸盐的形式存在。1.钨(W)的关键特性：氧化行为：400℃以下按抛物线速率氧化；超过1100℃，按线性速率氧化，且WO₃会升华。耐酸不耐碱：与大多数酸不反应，能溶于HF+HNO₃热混合酸；在熔融碱性溶液(NaOH、Na2O3)中被腐蚀。2.钼(Mo)的关键特性：氧化行为：在含水蒸气的气氛中，250℃即开始氧化。氧化膜