材料焊接性第7章--先进材料的

1、第7章 先进材料的焊接,先进材料,是指采用先进技术新近开 发或正在开发的具有独特 性能和特殊用途的材料,新型的 金属 结构 材料,先进 陶瓷 材料,金属间化 合物和复合 材料的开发 与应用,7.1 先进材料的分类及性能特点,7.1.1 先进材料的分类,先进陶 瓷材料,金属间 化合物,复合 材料,先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无 机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出 的性能优异的产品。先进陶瓷材料一般分为结 构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。,是指由两种或两种以上的物理和化学性质不同 的物质，按一定方式、比例及分 布方式组合 而成的一种多相固体材料。,金属键结合，具有长程有序的超

2、点阵结构。 它不遵循传统的化合价规律，具有金属的特 性，晶体结构与组成它的两个金属组元的结 构不同，两个组元的原子各占据一定的点阵 位置，呈有序排列。,7.1.2 先进材料的性能特点,与单一材料相比，复合材料的最大特点是 具有优异的综合性能和可设计性。,与金属材料相比，陶瓷材料的热膨胀系数比较低， 一般在 /K的范围；熔点高很多，有些陶瓷 可在2000-3000的高温下工作且保持室温时的强度， 而大多数金属在1000以上就基本上丧失了强度性能。,先进材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化 等一系列优点。,与无序合金相比，金属间化合物的长程有序超点阵 结构保持很强的金属键结合，具有许多特殊的物理

3、、 化学性能，如电学性能、磁学性能和高温力学性能等。,7.2 陶瓷材料与金属的焊接,7.2.1 陶瓷的分类及性能,陶 瓷 的 分 类,结构 陶瓷,功能 陶瓷,电子陶瓷,高温陶瓷,光学陶瓷,高硬度陶瓷等,氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷,氧化铝部分稳定 氧化锆陶瓷,氮化硅、碳化硅,7.1.2 陶瓷与金属的焊接性分析,陶瓷与 金属的 焊接性 分析,焊接裂纹,界面润湿性差,界面反应,焊 接 裂 纹,产生 原因,避免 措施,陶瓷与金属的化学成分和物理性能有大差 别，特别是线膨胀系数差异很大，此外， 陶瓷的弹性模量也很高。陶瓷与金属的焊接 一般是在高温下进行。,添加中间层或合理选用钎料,合理选择被焊陶瓷与金属，

4、在不影响接头使 用性能的条件下，尽可能使两者的线膨胀系 数相差最小；,应尽可能地减少焊接部位及其附近的温度梯 度，控制加热和冷却速度，降低冷却速度， 有利于应力松弛而使应力减小；,采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计 陶瓷与金属的接头结构。,界 面 润 湿 性 差,产生 原因,改善 方法,陶瓷材料含有离子键或共价键，表现出非常 稳定的电子配位，很难被金属键的金属钎料 润湿，所以用通常的熔焊方法使金属与陶瓷 产生熔合是很困难的。,陶瓷表面 的金属化 处理,活性金属 化法,在钎料中加入活性元素，使钎料与陶 瓷之间发生化学反应，使陶瓷表面分 解形成新相，产生化学吸附，形成结 合牢固的陶瓷与金属结合

5、界面，这种 方法称为活性金属化法。,Mo-Mn法,蒸发法,喷溅法,离子注入法等,界面反应,陶瓷与金属接头在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与 金属之间是通过过渡层(扩散层或反应层)而焊接结合的。两种 材料之间的界面反应对接头的形成和性能有极大的影响。接头 界面反应的组织结构是影响陶瓷与金属焊接性的关键。,表7.4 不同类型陶瓷与金属接头中可能出现的界面反应产物,7.2.3 陶瓷与金属的焊接工艺特点,陶瓷与金属的焊接方法包括钎焊、扩散焊、电子束焊、 摩擦焊等。其中应用较多的方法是钎焊和扩散焊。无 论采用哪种焊接工艺，陶瓷与金属焊接接头的性能须 满足如下基本要求：,所形成的 陶瓷与金 属的焊接

6、 接头，必 须具有较 高的强度,焊接接 头必须 具有真 空的气 密性,接头残余应力 应最小，焊接 接头在使用过 程中应具有耐 热、耐蚀和热 稳定性能,焊接工艺 应尽可能 简化，工 艺过程稳 定，生产 成本低,钎焊,扩散 焊,电子 束焊,陶瓷金属化 法钎焊工艺,活性金属化 法钎焊工艺,主要优点是接头强度高，工件变形小； 不足之处是保温时间长、成本高、试件 尺寸和形状受到真空室限制。,采用添加活性元素的钎料 直接对陶瓷与金属进行钎焊,在陶瓷表面进行合金化 后再用普通钎料进行钎焊,电子束焊是利用高能密度的电子束，轰击 焊件使局部加热、熔化而将工件焊接起来,7.3 金属间化合物的焊接,7.3.1 金属

7、间化合物的分类及性能,Ni-Al系金属 间化合物,Ti-Al系金属 间化合物,Fe-Al系金属 间化合物,Ni3Al金属间化合物具有独特的高温性能， 低于800时屈服强度随温度升高而增加。,Ti3Al为密排六方有序超点阵结构，高温 下（800850）具有良好的高温性能， 密度较小（4.14.7g/cm3），弹性模量 较高（110145GPa） ，与镍基高温合金 相比可减轻质量40%。,Fe3Al的弹性模量较大，熔点较高， 比重较小，在室温下具有铁磁性特征。,7.3.2 金属间化合物的焊接性分析,金属间 化合物 的焊接 性分析,焊接 裂纹,界面 反应,接头 强度低,金属间化合物由于塑性和韧性较差

8、， 焊接中的主要问题是焊缝及热影响区 易出现裂纹。,界面反应生成化合物的类型取决于被 焊母材和钎料（或中间合金）的物理、 化学性质以及焊接工艺参数。,金属间化合物采用熔焊方法时，室温 脆性易引起焊接裂纹，降低接头强度； 采用钎焊和扩散焊方法，尽管能够避 免焊接裂纹，但接头的强度仍然不高。,7.3.3 金属间化合物的焊接工艺特点,钨极 氩弧焊,电子束 焊,扩散焊 及钎焊,金属间化合物氩弧焊时，必须选择成分与母 材相近的焊丝作为填充材料。为避免产生焊 接裂纹，必须采取焊前预热的措施。,Ti-Al金属间化合物电子束焊时，接头容易 产生脆性马氏体组织，导致焊缝和热影响 区的脆化。因此，焊前预热、提高焊

9、接速度、 减小焊接热输入、降低冷却速度是接头性能 保证Ti-Al金属间化合物的关键,扩散焊可以焊接Fe3Al，也可以焊接 Fe3Al与异种金属。 钎焊可用于焊接塑、韧性差的NiAl 金属间化合物。,7.4 金属基复合材料的焊接,7.4.1 金属基复合材料的分类及性能,根据增强 相形态,根据 基体材料,根据材料 的用途,连续纤维增强,非连续增强,层板金属基复合材料,铜基等复合材料,镁基、锌基,铝基、钛基,结构复合材料,功能复合材料,智能复合材料,7.4.2 金属基复合材料的焊接性分析,金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的结合， 还要考虑到金属与非金属之间的结合。因此，金属基 复合材料的焊接

10、问题，关键是非金属增强相与金属基 体以及非金属增强相之间的结合。,界面反应,熔池流动性和 界面润湿性差,接头强度低,焊接 性 分析,界 面 反 应,定义,解决 措施,冶金 措施,改善 焊接 工艺,金属基复合材料的金属基体与增强相之间，在较 大的温度范围内是热力学不稳定的，焊接加热到 一定温度时，两者的接触界面上会发生化学反应， 生成对材料性能不利的脆性相，这种反应称为 界面反应。,加入一些活性比基体金属更强的元素或 能阻止界面反应的元素来防止界面反应。,钎焊,扩散焊,中间层,由于温度较低，基体金属不熔化， 加上钎料中的元素阻止作用，不 易引起界面反应。,为防止发生界面反应，必须严格控 制加热温

11、度、保温时间和焊接压力。,可以避免界面上纤维的直接接触， 使界面易于发生塑性流变,采用熔焊方法焊接纤维增强金属基复合材料时，金属与金属之 间的结合为熔焊机制，金属与纤维之间的结合属于钎焊机制。,共晶扩散钎焊是将焊接表面镀上中间扩散层或在焊接表面之 间加入中间层薄膜，加热到适当的温度，使母材基体与中间 层之间相互扩散，形成低熔点共晶液相层，经过等温凝固以 及均匀化扩散等过程后形成一个成分均匀的接头。,采用软钎焊焊接金属基复合材料，由于钎料熔点低，熔池 流动性好，可将钎焊温度降低到纤维开始变差的温度以下。,采用电弧焊方法焊接非连续增强金属基复合材料时， 基体金属不同时，复合材料焊接熔池的流动性也明

12、显不同。,熔池流动性和 界面润湿性差,接头 强度低,金属基复合材料基体与增强相的线膨胀系数相差 较大，在焊接加热和冷却过程中产生很大的内应 力，易使结合界面脱开。,焊接过程中如果施加压力过大，会引起增强纤维 的挤压和破坏。此外，电弧焊时，在电弧力的作 用下，纤维不但会发生偏移，还可能发生断裂。,此外，非连续增强金属基复合材料焊接时，除界面 反应、熔池流动性差等问题，还存在较强的气孔倾 向、结晶裂纹敏感性和增强相的偏聚问题。,7.4.3 金属基复合材料的焊接工艺特点,连续纤维增强金属基复合材料的焊接 方法主要有氩弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊等。,表7.19 Wf/Ti复合材料TIG焊的工艺参数及接

13、头力学性能,非连续增强金属基复合材料可采用 熔焊、固相焊、钎焊三类焊接方法。,表7.20 非连续增强金属基复合材料不同焊接方法的比较,1.陶瓷与金属焊接时主要问题是产生裂纹，分析裂纹产生的主要原因？从焊接工艺上应采取哪些措施避免裂纹？ 2.AL2O3 陶瓷与Cu焊接时可采用的焊接方法有哪些？在焊接工艺上有何特点？ 3. 分析为什么采用常规的熔焊方法很难实现陶瓷-金属的可靠连接，采用固相焊方法时如何提高陶瓷-金属接头的性能,4.SiC陶瓷与AL钎焊时常用的钎料有哪些？可采用哪些方式填加钎料？ 5.陶瓷与金属的扩散焊工艺特点有哪些？如何选择合适的扩散焊工艺参数？ 6.Ni-AL、Ti-Al和Fe-Al金属间化合物相比，哪种焊接性较好？这几种材料焊接时采用的方法和工艺措施是否相同，为什么？Ni3Al 与 NiAl的焊接性有什么不同