1、先進材料連接技術研究進展及其應用 學 號：B10030124學 院：洛陽理工學院 系 別：機電工程系 姓 名：朱羅北 教 師 ：閆紅彥陶瓷與金屬擴散焊連接技術的研究現狀及應用前言現代技術的發展,要求材料能在各種苛刻的環境下可靠地工作。在工程結構材料中,現有的金屬材料雖然在室溫強度、延展性、導電性和導熱性等方面具有優良的特性,但其耐高溫、耐腐蝕,耐磨損等性能已不能滿足日趨提高的需求。陶瓷材料,特別是具有熔點高、高溫強度高、硬度高、高溫蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、彈性模量高以及熱膨脹系數小等優良性能和特點的先進結構陶瓷材料在工程結構領域具有廣闊的應用前景。工程結構陶瓷材料由于其化學鍵的特點,具

2、有脆性大、強度分散和加工困難三個固有的缺點,這些缺點導致其抗冷熱沖擊能力差、難以制成尺寸大、形狀復雜的構件,從而也限制了其應用范圍。由此可見,陶瓷材料和金屬材料之間明顯有著一種性能互補關系,將陶瓷與金屬連接起來制成復合構件,充分發揮兩種材料的性能優點,彌補各自的不足,對于改善結構件內部應力分布狀態、降低制造成本、拓寬陶瓷材料的應用范圍具有特別重要的意義。因此,陶瓷/ 金屬的連接問題也一直是研究的熱點問題1。擴散焊連接技術適用于各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點是接頭質量穩定，連接強度高，接頭高溫性能和耐蝕性能好。因此，對于高溫或耐蝕條件下的應用來講,擴散連接是陶瓷與金屬連接最適宜的方法。由于

3、這種方法能充分發揮陶瓷的優異性能，因而受到世界各國學者和工程界人士的重視，并在界面反應研究、殘余應力分析和連接工藝研究等方面開展了大量的工作，取得了顯著的成果2。1 擴散焊的原理及影響因素1.1 基本原理擴散焊是指在一定的溫度和壓力下，待焊表面相互靠近、相互接觸，通過使局部發生微觀塑性變形，或通過被連接表面產生的瞬態液相而擴大被連接表面的物理接觸，然后經較長時間的原子間相互擴散、相互滲透，而形成冶金結合的連接過程3。擴散焊過程大致可分三個階段，第一階段為物理接觸，被連接表面在壓力和溫度作用下，粗糙表面的微觀凸起首先達到塑性變形，在持續壓力的作用下，接觸面積逐漸擴大，并緊密接觸，最終達到整個面的

4、可靠接觸；第二階段是接觸界面原子間的相互擴散和再結晶，形成牢固的結合層；第三階段是在接觸部分形成的結合層中，原子擴散逐漸向縱深發展，形成可靠連接接頭。這三個過程并不是截然分開的，而是相互交叉進行，最終在接頭連接區域由于擴散、再結晶等過程形成固態冶金結合，它可以生成固溶體及共晶體，有時生成金屬間化合物，形成可靠連接4。焊接參數的選擇就是要控制這些因素，最終得到綜合性能良好的接頭。1.2 影響擴散焊的主要因素（1） 溫度。溫度影響被焊材料的屈服強度和原子的擴散行為，對消除空隙起著決定性作用，擴散溫度的經驗公式5為T= (0.6- 0.8) Tm，其中Tm為被焊零件材料中的最低熔點。溫度是促進原子擴

5、散的最重要因素，加熱焊件能提高原子、離子、分子的能量，從而加速擴散，但溫度過高，對焊縫度強有所降低。因此，如何選定最佳焊接溫度，是提高焊縫強度的關鍵。（2） 壓力。壓力能使材料連接面達到完全接觸，擴大有效的焊接面積，加快擴散再結晶過程。焊接壓力的大小，要視焊接材料的屈服極限和蠕變程度而定，一般以接合面產生蠕變變形為原則。（3） 時間。擴散焊三個階段的進行都需要較長的時間。一般說來，延長擴散時間，可以提高擴散效果，但對某些材料，保溫擴散時間過長，效果反而不好，甚至會產生金屬間化合物脆性層。能否正確地選擇時間參數，對焊縫強度的影響很大。（4） 工作介質。為防止擴散過程中焊件氧化，一般采用真空擴散焊

6、，或用特殊氣氛作保護介質。真空擴散焊目前應用較多。一般而言，真空度越大，表面凈化作用越強，焊接效果越好。選定多大的真空度應以被焊接材料的種類和對焊件的要求而定。氣體保護擴散焊多用氬、氦、氫或二氧化碳及各種混合氣體作保護氣氛。（5） 表面狀態。零件的加工精度、表面狀態是擴散焊能否成功的關鍵。良好的表面狀態能使零件在溫度、壓力的作用下結合得更緊密，擴散更充分，焊接質量更可靠。焊接前要將焊接面清洗干凈，不得有任何雜質和氧化層。為擴大連接面，增強焊縫強度，還可以通過設計合理的焊件連接面結構形狀來實現。2 陶瓷與金屬擴散焊接技術的研究現狀2.1陶瓷與金屬焊接的主要困難陶瓷與金屬連接構成的復合構件作為結構

7、材料可以獲得金屬、陶瓷的性能互補, 并降低復合材料的成本。但由于兩者在物理和化學性質方面存在很大差異, 故焊接上存在以下困難2:（1）它們的結晶結構不同, 導致熔點極不相同；（2） 陶瓷晶體的強大鍵能使元素擴散極困難；（3）它們的熱膨脹系數相差懸殊, 導致接頭產生很大熱應力, 會在陶瓷側產生裂紋；（4）結合面產生脆性相, 玻璃相會使陶瓷性能減弱。所以難于用常規的熔焊方法實現連接, 目前廣泛采用的是擴散焊接和釬焊。釬焊所面臨的問題是如何改善釬料對母材的潤濕性和提高接頭的高溫強度和高溫穩定性而擴散焊接被認為是陶瓷與金屬連接的較佳方法, 其顯著特點是接頭質量穩定, 連接強度高, 接頭高溫性能和耐腐蝕

8、性能好。2.2 陶瓷與金屬的擴散焊接現狀擴散焊接適用于各種陶瓷與各種金屬的連接。其顯著特點是接頭質量穩定,連接強度高,接頭高溫性能和耐腐蝕性能好。因此,對于高溫和耐蝕條件下的應用來講,擴散焊接是陶瓷與金屬連接最適宜的方法。在陶瓷與金屬的擴散焊接中,為緩解因陶瓷與金屬的熱膨脹系數不同而引起的殘余應力以及控制界面反應,抑制或改變界面反應產物以提高接頭性能,常采用中間層2 : (1) 為緩解接頭的殘余應力,中間層可采用單一的軟金屬,也可采用多層金屬。軟金屬中間層有Ni ,Cu 及Al 等,它們的塑性好,屈服強度低,能通過塑性變形和蠕變變形來緩解接頭的殘余應力； (2) 從控制界面反應出發,可以選擇活

9、性金屬中間層,也可以采用粘附性金屬中間層。活性金屬中間層有V , Ti ,Nb , Zr ,Hf ,Cu - Ti 及Ni2Cr 等,它們能與陶瓷相互作用,形成反應產物,并通過生成的反應產物使陶瓷與被連接金屬牢固地連接在一起。粘附性金屬中間層有Fe ,Ni 和Fe - Ni 等,它們與某些陶瓷不起反應,但可與陶瓷組元相互擴散形成擴散層。研究發現,將粘附性金屬與活性金屬組合運用,所取得的效果更好。劉偉平6等人研究了加Nb 膜中間層對Cu/ Al2O3 界面接合強度的影響,結果表明:Nb 膜中間層的加入,顯著提高了Cu/ Al2O3 擴散焊接頭的斷裂能量。在此基礎上,作者還以單晶- Al2O3 陶

10、瓷和單晶Cu 為母材,研究了Cu/Al2O3 擴散焊接頭以及帶Nb 膜中間層的Cu/ Nb/Al2O3 擴散焊接頭界面晶體位向關系對接頭斷裂能量的影響。同樣,采用金屬Nb (箔片) 做中間緩沖層,對SiC 陶瓷和SUS304 不銹鋼也進行了擴散焊接,接頭強度穩定在100MPa 以上7 。楊敏，鄒增大8等人采用不同的中間層材料進行Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金連接試驗，通過剪切試驗測定連接接頭的抗剪強度，采用掃描電鏡、電子探針等分析手段分析由不同材料組成的復合中間層對Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金連接性的影響。研究表明，當中間層材料在連接溫度下與緊鄰陶瓷連接面的位

11、置能形成含活性元素的局部液相時，可以實現Si3N4陶瓷/Inconel 600高溫合金的連接。當中間層含有連接過程不熔化的軟金屬層時，接頭強度明顯提高。P.Hussain9等對Si 陶瓷與鐵素體不銹鋼進行直接擴散焊。試驗表明：由于材料之間的相互反應和擴散Si與鐵素體不銹鋼之間形成了韌性很好的界面，緩和了Si與鐵素體不銹鋼之間的熱性能不匹配問題。而Si 陶瓷與奧氏體不銹鋼之間沒有形成韌性層,因而Si與鐵素體不銹鋼的連接比奧氏體不銹鋼成功得多。近年來,采用功能梯度材料作中間層焊接陶瓷/ 金屬,焊接接頭性能得到更大程度的改善。此外,為改進陶瓷的焊接性,預先對陶瓷表面進行金屬化,再擴散焊接陶瓷與金屬,

12、接頭強度也大大提高,如AlN 與Cu 和FeNi42 的連接10。 Dr.2Ing.Ulrich Draugelates 等人認為11 ,如果陶瓷表面不經任何處理,陶瓷/金屬焊接接頭在冷卻過程中,陶瓷周圍將產生應力極大值。為了減少殘余應力和提高接頭強度,可對陶瓷表面預先進行宏觀幾何學處理,殘余應力將位于被金屬填充的被連接陶瓷表面的凹槽中,連接區的周圍就沒有應力集中。有限元方法模擬表明12:陶瓷被連接表面的不同的幾何形狀對緩解殘余應力的貢獻并沒有明顯不同。3 陶瓷與金屬擴散焊接技術的應用陶瓷與金屬的異種材料焊接構件在航空航天領域具有廣泛的應用前景。陶瓷及陶瓷基復合材料是高性能渦輪發動機高溫區極好

13、的結構材料, 有可能用于燃燒室、火焰穩定器、機匣、渦輪葉片和尾噴口調節片等, 被認為是未來先進航空發動機的關鍵材料。有資料報道, 單晶技術的引入僅將材料的工作溫度提高50 ,而陶瓷材料約可提高400,到2010年為止，陶瓷材料已占航空發動機總重的20%左右13。但由于影響陶瓷/金屬擴散焊接的因素很多,諸如中間層的選擇、中間層厚度、被連接表面形狀等,都有可能影響擴散焊接頭的質量,這些問題有待進一步研究。4 結束語陶瓷與金屬異種材料的擴散焊接是一門綜合性技術,涉及范圍廣,學科交叉性強。盡管人們在這方面進行了大量的工作,也取得了顯著的成果,但在界面反應的研究、殘余應力分析、接頭性能評定及連接工藝等方

14、面還有待深入研究。同時跨入21世紀后對于高性能結構陶瓷與金屬的連接工藝不斷發展和日趨成熟。為了占領以陶瓷發動機為代表的工程陶瓷市場,日本和美國均花巨資對陶瓷與金屬的連接工藝進行了廣泛深入的研究。我國應加強對陶瓷- 金屬連接工藝的研究和開發,盡快完善接頭性能評價方法,建立評價標準,積極消化國外的先進技術,為將來占領國際結構陶瓷市場作好準備。參考文獻1 李淑華,王建江,李樹堂. 陶瓷與金屬的連接J.特種鑄造及有色金屬, 2000 ,2 :5153.2 劉會杰,馮吉才,李廣,等. 陶瓷與金屬擴散連接的研究現狀J.焊接,2000 (9) :712.3 李志遠.先進連接方法M.北京: 機械工業出版社,

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