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有關(guān)金屬與陶瓷的釬焊技術(shù)和發(fā)展

查看：1998 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:26:35

工程陶瓷以其優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的性能特點(diǎn)．已發(fā)展成為被普遍認(rèn)可的高性能結(jié)構(gòu)材料，但陶瓷件塑性差、不耐沖擊．使其應(yīng)用受到限制。金屬和陶瓷的釬焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)2種材料性能優(yōu)點(diǎn)的相互結(jié)合，從而有效擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。是當(dāng)前材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到釬料熔點(diǎn)和母材熔點(diǎn)之間的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材、填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的焊接方法。于普通金屬釬料在陶瓷表面潤濕性很差。因此提高釬料在陶瓷表面的潤濕性是保證釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵。此外，金屬和陶瓷物理性能、力學(xué)性能的不匹配也是影響釬焊的重要因素。
1 金屬和陶瓷釬焊的難點(diǎn)
      金屬陶瓷釬焊的主要難點(diǎn)在于冶金不相容和物性不匹配。冶金不相容是指釬料熔化后，對(duì)陶瓷不浸潤，難以在熔接區(qū)和陶瓷實(shí)現(xiàn)原子間的冶金結(jié)合：物性不匹配是指金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)差別太大。在釬焊結(jié)合區(qū)存在很大的應(yīng)力梯度。釬焊產(chǎn)生的熱應(yīng)力使連接強(qiáng)度降低、質(zhì)量難以滿足需要。目前常常通過添加活性元素以改善釬料在陶瓷表面的潤濕性，采用添加緩沖層的方法來解決金屬陶瓷物性不匹配的問題。緩沖層分為軟性緩沖層、硬性緩沖層和軟硬雙層緩沖層三大類。軟性緩沖層的熱膨脹系數(shù)較高，夾在金屬釬料與陶瓷之間可以解決熱膨脹不匹配引起的殘余應(yīng)力．但與金屬間的連接往往不夠理想．因此在某些情況下采用軟硬雙層緩沖層：一層是與陶瓷有較好結(jié)合強(qiáng)度的軟性緩沖層；一層是低膨脹系數(shù)的硬性緩沖層．夾在釬料與陶瓷之間進(jìn)行施焊．這種方法能夠在一定的程度上改善接頭性能。但緩沖層增多使施焊工藝復(fù)雜．并且使緩沖層變厚，陶瓷與金屬的連接實(shí)際上會(huì)變成依靠緩沖層來連接，致使釬焊
接頭各項(xiàng)性能指標(biāo)下降。
2 常用的金屬和陶瓷釬焊方法
    目前常用的釬焊方法有陶瓷表面金屬化法和活性金屬
法。
2．1 陶瓷表面金屬化法
    陶瓷表面金屬化法，也稱為兩步法[5]，是先對(duì)陶瓷表面進(jìn)行金屬化處理．采用燒結(jié)或其它方法在陶瓷表面涂鍍一層金屬作為中間層，然后用釬料把金屬鍍層和金屬釬焊在一起。陶瓷表面金屬化的方法有很多，如mo—mn法、氣相沉積、化學(xué)鍍和離子注入等問，常用的是mo-mn法，一般工藝過程為：將mo—mn粉制成膏劑涂在陶瓷表面，在1 000—1 800 oc的n2或h2氣氛中燒結(jié)后，表面形成玻璃相，同時(shí)部分金屬氧化物被還原，產(chǎn)生金屬表面層，最后在表面鍍上一層金屬(常用鎳) 。mo—mn法燒結(jié)金屬粉末的常用配方和燒結(jié)工藝參數(shù)見表1。目前。mo—mn法在工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。但這種傳統(tǒng)的連接方法工藝復(fù)雜，費(fèi)時(shí)耗資。表1 常用的mo-mn法金屬化配方和燒結(jié)工藝參數(shù)序配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ％) 涂層厚度金屬化溫度．號(hào) 適用陶瓷mo idn mno al sio2 ca0 mgo fe m 保溫時(shí)間／min，
1      80 20 75％aj2o3 30—m 1 350．30—6o
2      45 18．2 20．9 12．1 2-2 1 1 0．5 95％aj 6 70 1 470，60
3     65 17．5 7．5(95瓷 95％aj203 35—45 1 550．60
4      59 95％a1203
        ．5 17．9 12．9 7．9 1．8 (m 6o 8o 1 510．50
        g-aj—si)
5      50 17．5 19．5 l1．5 1．5 透明剛玉 50～6o 1 400—1 500．40
        99％bno 1 400，30
6      70 9 12 8 1 40 o
        9  5％aj2o1 1 500．60
    氣相沉積法包括物理氣相沉積(pvd)、化學(xué)氣相沉積(cvd)和等離子反應(yīng)法。對(duì)于a1n，sic等非氧化物陶瓷與金離子束和pvd法對(duì)a1 0，陶瓷預(yù)金屬化表面改性的方法，5次脈沖后陶瓷表面形成納米尺度厚度的 0 膜．再用pvd法沉積約2 m厚的ti 0或金屬；改性后的a1 0，陶瓷在初始?jí)毫?o pa的真空爐中采用agcu28合金釬料與可伐合金釬焊連接．接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)9o mpa。此外，化學(xué)鍍的方法在a1 0，陶瓷表面鍍ni，厚度約48 i-tm，然后在輝光釬焊爐中用ag—cu釬料與q235鋼釬
焊連接．接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到了78 mpa；研究了用射頻濺射薄膜改善a1n陶瓷與金屬連接性的方法：用射頻濺射法將。al沉積~ua1n表面．然后在真空爐中用厚度為o．1 mm的agcul9．5ti3in5釬料釬焊連接a1n (ti膜)一cu，a1n (a1膜)一cu；加壓所配質(zhì)量20 g，溫度1 173 k，保溫20 min，接頭的平均抗剪強(qiáng)度分別達(dá)到120 mpa和127 mpa，與相同工藝條件下未經(jīng)表面改性i~a1n／agcu19．5ti3in5／cu釬焊相比．強(qiáng)度提高了3ompa以上。
2．2 活性金屬法
活性金屬法．也稱為一步法．是采用活性釬料直接對(duì)金屬與陶瓷進(jìn)行釬焊．它利用金屬與陶瓷之間的釬料在高溫下熔化．其中的活性組元與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層，將兩層不同材料結(jié)合在一起的方法。文獻(xiàn)[11]介紹，在釬料中添加表面活性元素可使陶瓷表面潤濕性得到明顯改善， zr．hf，pd．v，nb等過渡族或稀有金屬元素具有很強(qiáng)的化學(xué)活性．加至釬料中在溫下對(duì)氧化物、硅酸鹽等物質(zhì)具有較大的親和力，可和cu，ni，ag，au等一起制成金屬陶瓷釬
焊的活性釬料。活性釬料在兩界面處可以產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)結(jié)合，機(jī)械結(jié)合是指釬料顆粒嵌入或滲入陶瓷表層微孑l區(qū)，而化學(xué)結(jié)合是釬料和基體間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移和反應(yīng)，它們會(huì)大大促進(jìn)潤濕性。關(guān)于活性金屬法的封接機(jī)理仍是一個(gè)有爭議的問題，目前取得比較一致的見解是：鈦與釬料金屬接觸，在溫度高于釬料金屬的熔點(diǎn)時(shí)，便形成了含鈦的液相合金，在更高的溫度下．其中部分液相活性金屬鈦被陶瓷表面選擇性吸附而降低了固液比界面能．從而使釬料合金更好地潤濕陶瓷；時(shí)有部分鈦與陶瓷表面的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并還原其中的金屬離子，形成鈦的低價(jià)氧化物，如ti0， 20，。與mo—mn法相比，活性金屬法有適用范圍廣、工序少、周期短、溫度低等優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在內(nèi)應(yīng)力大、封接強(qiáng)度低、生產(chǎn)率不高等缺點(diǎn)，所以，目前活性金屬法的應(yīng)用并沒有mo—mn法普遍。
      設(shè)計(jì)金屬／陶瓷接頭的活性釬料時(shí)主要應(yīng)考慮：
①釬料應(yīng)具有合適的熔點(diǎn)，一般情況下它的液相線溫度要低于母材固相線溫度40～5o℃；
② 在釬焊溫度下具有良好的潤濕作用，能充分填充接頭間隙；
③與母材的物理化學(xué)作用應(yīng)保證它們之間形成牢固的結(jié)合；
④釬料不宜含有飽和蒸氣壓高的化學(xué)元素，如zn，cd，mg等；
⑤釬料應(yīng)塑性好、屈服強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度高，以保證常溫下殘余應(yīng)力較小；
⑥ 釬料抗蠕變、耐熱疲勞、耐腐
蝕性能好．以保證接頭能在惡劣的條件下正常工作。主要金屬和陶瓷活性的釬焊工藝以及強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。表2 金屬和陶瓷活性釬焊工藝參數(shù)及抗剪強(qiáng)度連接接頭釬料溫度厚度時(shí)間剪強(qiáng)度，mpa 參考
，℃ ／p．m ／rain 20℃ 500℃ 600℃ 700℃ 文獻(xiàn)
sirnjw pdcu+nb 1 210 150
sisngni pd∞ni加 1 29o 50 5 18 29
sisngni a 70pd,ni2 1 09o 50 5 99 105
si3n]ni aug,~pd i2 1 180 50 5 77 8 sirn,]ni aug,~pd i2 1 150 50 5 59 47
[12]
sic，nb ni h蛐 1 450 100 10 110 100
sic／nb ni， 1 450 100 10 68
a120／cu cu lri∞ 1 025 45 30 110 113 13
al20~~kovar cu5oti∞ 1 150 65 30 175 132 50
a12oynb cu 1 020 10 162 [13]
al20 i cu．til8z 1 020 10 145 [14]
al20~ni cu ri 1 020 10 162
al20 (a鼽c(diǎn)u≈)g)．rj3 850 190 30 189 [15]
_ri一6al—4v
al20 agto．scu 3 850 100 40 130 [16]
zrojcu／ ag u 850 30 105 [17]
1crl8ni9tj
zroj鑄鐵 cu—ga—e 1 150 10 277
[18：
zro 鑄鐵 cu--sn--pb-ti 950 10 156
3 金屬和陶瓷釬焊的新發(fā)展一部分瞬間液相(ptlp)法1990年．iino yt 基于金屬／陶瓷活性釬焊的研究結(jié)果和ni基耐熱合金瞬間液相(tlp)連接的原理，提出了用于金屬／陶瓷連接的部分瞬間液相(partial transient liquid-phase，以下簡稱 lp)法。在這種連接方法中，借助微觀設(shè)計(jì)的多層中
間層，通過低熔點(diǎn)釬料層的熔化和多層材料之間的相互擴(kuò)散和反應(yīng)，僅在靠近陶瓷表面處形成局部液相區(qū)，起到釬料的作用．在隨后的連接過程中．液相區(qū)發(fā)生等溫凝固和固相成分均勻化．從而使連接接頭兼有普通的活性釬焊和固相擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)。與固相擴(kuò)散連接相比，w lp法由于有液相參與，故大大加速了連接過程．降低了對(duì)連接表面加工精度的要求，能有效地消除固相連接中難以完全消除的界面空洞。與普通的活性釬焊相比． lp法通過液態(tài)合金的等溫凝固以及隨后的固相成分均勻化，使接頭具有固相擴(kuò)散連接的耐熱特性。p11lp法是一種用釬焊的方法獲得具有固相擴(kuò)散連接接頭耐熱特性的連接方法。近年來受到了人們的極大關(guān)注。通過ni— 活性釬料部分液相瞬間連接工藝，實(shí)現(xiàn)了高純al 0，陶瓷和可伐合金(kovar)的氣密性連接。p11lp法有在較低溫度或在低于實(shí)際服役溫度下進(jìn)行連接的可能性。
4 金屬和陶瓷釬焊的發(fā)展前景
隨著社會(huì)新材料的發(fā)展和金屬與陶瓷釬焊技術(shù)日趨完善。其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、能源工業(yè)、宇航軍用工業(yè)等等，可以預(yù)見，金屬與陶瓷釬焊技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，無疑是今后研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的陶瓷金屬化法工藝復(fù)雜、費(fèi)時(shí)耗資，活性金屬釬焊是目前最有可能得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的連接方法，而部分瞬間液相連接充分結(jié)合了活性釬焊和固相擴(kuò)散連接兩者的優(yōu)點(diǎn)，能在比常規(guī)連接方法低得多的溫度下制備耐熱接頭，正不斷引起人們極大的興趣和關(guān)注。

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