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                    陶瓷與金屬的連接方法與研究進展
                    2013-08-02 11:59

                    工程結構陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗氧化、抗腐蝕等優良性能,廣泛應用于航空航天、電力電子、能源交通等領域,成為經濟和國防發展中不可缺少的支撐材料。但是由于陶瓷本身的脆性使其加工性能差,難以制成尺寸大、形狀復雜的構件,從而限制了其進一步的應用與發展。金屬材料具有優良的室溫強度、延展性、導電性和導熱性,與陶瓷材料在性能上形成了一種明顯的互補關系。將兩種材料結合起來,就可以充分利用各自的優良性能,制造出滿足要求的復雜構件,不僅能夠降低成本,對陶瓷與金屬材料的應用與發展也具有重要意義。由于陶瓷與金屬在物理、化學性質上的差異,使得二者之間的連接成為國內外學者研究的熱點問題[1-3]。 

                    陶瓷與金屬的連接方法 

                    陶瓷與金屬的連接問題主要表現在以下幾個方面:(1)陶瓷與金屬鍵型不同,難以實現良好的冶金連接;(2)陶瓷與金屬的熱膨脹系數差異大,連接接頭容易產生較大的殘余應力,致使接頭強度低;(3)陶瓷表面潤濕性差,連接工藝確定困難。目前,關于陶瓷與金屬連接方法的研究已有很多,包括機械連接、粘接連接、釬焊連接、固相擴散連接、瞬時液相連接、熔化焊、自蔓延高溫合成連接、摩擦焊、微波連接、超聲連接等方法。 

                    1 機械連接 

                    機械連接是一種古老的連接方法,包括螺栓連接和熱套連接。其中熱套連接是利用陶瓷與金屬的熱膨脹差異,在高溫時將金屬套在陶瓷外側,利用冷卻時金屬的收縮量較陶瓷大而緊密連接在一起。雖然熱套連接獲得的接頭具有一定的氣密性,但僅限于低溫使用,且這種接頭具有較大的殘余應力[4-5]。 

                    2 粘接連接 

                    粘接連接是利用膠粘劑將陶瓷與金屬連接在一起,主要應用于飛機的應急修理、炮彈與導彈的輔助件連接、渦輪和壓縮機轉子的修復等處。盡管粘接連接可以一定程度緩解陶瓷與金屬間的熱應力且工藝簡單、效率高,但接頭強度通常小于100MPa,使用溫度一般低于200℃,大多用于靜載荷和超低靜載荷零件[1-4,6]。 

                    3 釬焊連接 

                    釬焊是最常用的連接陶瓷與金屬的方法之一,它是以熔點比母材低的材料做釬料,加熱到略高于釬料熔點的溫度,利用熔化的液態釬料潤濕被連接材料表面,從而填充接頭間隙,通過母材與釬料間元素的互擴散實現連接。普通金屬釬料在陶瓷表面的潤濕性較差,因而提高釬料在陶瓷表面的潤濕性成為獲得高質量釬焊接頭的保證。陶瓷與金屬的釬焊連接可以分為直接釬焊和間接釬焊。 

                    直接釬焊又叫活性金屬釬焊法,是在釬料中加入活性元素,通過化學反應在陶瓷表面形成反應層,以提高釬料在陶瓷表面的潤濕性。這些活性元素通常包括Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr 等,如Ag-Cu-Ti 釬料就是在Ag-Cu 共晶釬料中加入活性元素Ti,顯著提高了釬料的潤濕能力,是現在應用非常廣泛的一種釬料。非晶態高溫釬料的研制,也大大地增加了陶瓷與金屬釬焊接頭的應用范圍。表1中給出了幾種常用的陶瓷與金屬通過直接釬焊實現連接的工藝及接頭性能,其中S表示抗剪強度,B表示彎曲強度[7-19]。

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                    間接釬焊是先將陶瓷表面進行金屬化,再利用常規釬料進行釬焊連接,因而又稱兩步法釬焊。陶瓷表面與金屬化的目的就是解決釬料在陶瓷表面潤濕性差的問題,電子工業中常用Mo-Mn 法對陶瓷表面進行預金屬化,Mo 粉中加入適量的Mn 是為了改善金屬鍍層與陶瓷的結合,圖1為Mo-Mn 法結構示意圖[20]。此外,還發展了物理或化學氣相沉積、熱噴涂法、燒結金屬粉末法、超聲波法、化學沉積、等離子注入、真空蒸鍍等一系列金屬化方法[1-3]。

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                    徐富家等[21] 利用間接釬焊方法,首先在Al2O3 陶瓷表面進行化學鍍鎳,再與5A05鋁合金進行真空釬焊連接,所獲釬焊接頭組織照片如圖2所示,界面結構為Al2O3/Ni(Ⅰ 區)/Al3Ni2(Ⅱ 區)/Al3Ni+Mg2Si(Ⅲ區)/α(Al)+Mg2Si(Ⅳ 區)/5A05, 接頭的抗剪強度最大可達到25MPa。

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                    4 固相擴散連接 

                    固相擴散連接廣泛應用于異種材料的連接,也是連接陶瓷材料常用的方法之一。它是將被連接材料置于真空或惰性氣氛中,使其在高溫和壓力作用下局部發生塑性變形,通過原子間的互擴散或化學反應形成反應層,實現可靠連接。固相擴散連接適用于各種陶瓷與金屬的連接,相對于釬焊連接,其具有連接強度高,接頭質量穩定、耐腐蝕性能好,可實現大面積連接,且接頭不存在低熔點釬料金屬或合金,能夠獲得耐高溫接頭等優點。從連接方式來看,固相擴散連接可分為直接擴散連接和間接擴散連接兩種。直接擴散連接是指直接將陶瓷與金屬進行連接,而間接擴散連接是通過中間層的過渡作用將陶瓷與金屬連接起來。由于陶瓷和金屬在熱膨脹系數和彈性模量上的差異,擴散連接接頭容易產生較大的殘余應力,導致接頭性能下降,因而常采用中間層進行間接擴散連接,或采用直接在陶瓷表面鍍金屬膜的方法。中間層的介入,不僅可以緩解接頭的殘余應力,還能夠降低連接溫度和壓力,同時也可以起到抑制和改變接頭產物的作用。 

                    魏曉玲等[22] 利用Mo-Mn法在Al2O3陶瓷表面預鍍一層鎳,再將陶瓷與高純鎳進行擴散連接。將這種間接擴散連接接頭與未經預鍍金屬的陶瓷與金屬直接擴散連接接頭進行對比,發現在同樣連接條件下,未預鍍金屬所得接頭強度要明顯低于前者。Li等[23] 在Al2O3陶瓷表面涂敷Ti,并對Ti-Al2O3擴散偶進行了研究,認為在1050~1100℃時,純Ti與Al2O3的界面產物與原始Ti 層厚度相關。例如:當原始Ti層較薄時界面產物是Ti3Al,當原始Ti層較厚時界面產物是Ti3Al和TiAl。Kliauga等[24] 以Ti為中間層擴散連接Al2O3陶瓷與不銹鋼時,只發現Ti3Al顆粒析出,如圖3所示。

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                    固相擴散連接已經成為連接陶瓷與金屬的主要方法之一,但一般的擴散連接所需要的連接溫度較高,連接時間也相對較長,且通常在真空下連接,因而連接成本較高,試件尺寸易受限制。 

                    5 瞬時液相連接 

                    瞬時液相連接(Transient Liquid Phase Bonding)是由Daniel,David與William 3人于1972年首先提出的,并在“Welding Journal”上撰文正式采用了TLP Bonding 這一提法[25],簡稱為TLP 連接或液相擴散焊,也有人稱之為擴散釬焊。TLP 連接作為一種精密的連接技術,具有連接溫度低、變形小、殘余應力小以及接頭強度高等優點,它是在真空條件下,施加較小或不施加壓力,當溫度達到中間層熔點或中間層與母材元素通過互擴散形成低熔共晶產物時,在中間層與母材之間形成液相薄膜,通過中間層降熔元素向母材擴散及母材中高熔點元素向液相中溶解,使液相層熔點不斷升高,并在等溫條件下凝固,最后經過均勻化形成致密接頭。瞬時液相連接綜合了釬焊和固相擴散焊的優點,已經成功應用在金屬間化合物、先進陶瓷、耐熱耐蝕超合金、單晶合金等多種先進材料的連接。 

                    部分瞬時液相連接(Partial Transient Liquid Phase Bonding,PTLPB)是在傳統的瞬時液相連接的基礎上發展起來的應用于陶瓷與金屬連接的新方法,PTLP 連接和傳統TLP連接的區別在于,PTLP連接時的液相只在中間層局部形成,以潤濕陶瓷表面。在進行PTLP連接時,一般采用不同厚度的金屬組成B-A-B多層中間層,其中B的厚度遠小于A的厚度。連接過程中,通過B的熔化或B與A形成低熔共晶而產生液相,僅在緊鄰陶瓷的連接部位形成局部液相,起到類似釬料的作用,以實現對陶瓷表面的潤濕。此后,在等溫過程中通過原子的互擴散使液相消失和成分均勻化,實現陶瓷與金屬的連接。采用PTLP方法所得接頭可在高溫高應力狀態下使用,但中間層需要合理設計,中間的A和兩側的B無論是在固態還是在液態都應該能完全互溶,固液相線也要窄,這樣有利于等溫凝固和成分均勻化的進行。 

                    Kim等[26]以Ni和Ti/Cu做中間層采用PTLP法對Si3N4陶瓷與Inconel718 合金進行了連接,經過900℃、60min的連接形成了完好的接頭,所獲接頭中Si3N4 陶瓷和Ni金屬層之間的組織反應層厚度約12μm,組成為Si3N4/Ti2Ni/α-Cu/CuTi5Ni14&α-Cu&TiNi3/Ni,Ni 層與Inconel718 合金之間為擴散連接,沒有新反應相生成。與不添加Ti/Cu層連接相比,該結構所獲得的接頭避免了陶瓷與中間層金屬的大范圍化學反應,降低了連接溫度;與采用Ag-Cu-Ti為釬料的釬焊連接接頭相比,PTLPB接頭具有更高的耐高溫性能。 

                    6 熔化焊 

                    熔化焊連接陶瓷和金屬主要包括激光焊和電子束焊接,采用高能束具有加熱和冷卻速度快的優點,能在陶瓷不熔化的條件下使金屬熔化,形成連接。Curicuta 等[27] 以激光為熱源對Al2O3陶瓷和Cu進行了連接,研究表明被連接材料之間所達到的溫度對接頭界面結構的形成具有重要作用,激光加熱所達到的溫度應不低于形成共晶的溫度,但不能超過Cu的熔點,這種連接方式一定程度上類似于瞬時液相連接。也有人以激光為熱源對SiC陶瓷和鋼進行激光輔助釬焊連接,并研究了激光熱源對不同釬料所得接頭的影響[28]。 

                    采用高能束對陶瓷和金屬進行連接雖然能獲得高溫下穩定的接頭,但是需要對被連接材料進行預熱和緩冷,以降低連接時的應力和防止連接過程中裂紋的產生,而且陶瓷與金屬組配相對困難,連接工藝參數難以控制,設備造價昂貴。 

                    7 自蔓延高溫合成連接 

                    自蔓延高溫連接(Self-propagating High - temperature Synthesis Joining,SHS 連接)是利用SHS反應的放熱及其產物來連接待焊母材的技術。即以反應放出的熱為高溫熱源,以SHS產物為焊料,實現材料連接的過程。陶瓷與金屬的自蔓延高溫合成連接的困難在于它們的熱膨脹系數和彈性模量不匹配,在連接過程中界面不易潤濕和殘余熱應力大等問題。連接時可利用反應原料直接合成梯度材料來連接異種材料,其成分組織逐漸過渡,以克服母材間化學、力學和物理性能的不匹配,從而可能緩解接頭處的殘余應力。對于某些受焊母材的連接,可采用與制備母材工藝相似的連接工藝,從而可使母材與焊料有很好的物理、化學相容性。SHS連接可進行難熔金屬、耐熱材料、耐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金屬間化合物的連接,根據被連接母材來源不同,SHS連接可分為一次連接和二次連接。一次連接是指被連接的母材或部件是在連接過程中同時原位合成的連接工藝;而二次連接則是指連接現存的母材或部件的工藝,即被連接母材在連接前已經制備好,通過焊料的自蔓延反應來將其連接在一起的工藝[29-30]。國內主要是針對TiC金屬陶瓷與Ni 以及TiAl合金之間的自蔓延反應進行了相關研究[30-31]。 

                    該方法的優點是能耗低,生產效率高,對母材的熱影響小。但是由于自蔓延反應速度快,焊料燃燒時間難以控制,導致界面反應控制困難。 

                    8 其他連接方法 

                    (1)摩擦焊:摩擦焊是一種固相連接方法,它是將陶瓷與金屬相對旋轉摩擦,產生摩擦熱,當金屬表面受熱達到塑性狀態后停止旋轉,并施加一個相對較大的頂鍛力,使陶瓷與金屬實現連接。該方法的優點是生產效率高,幾秒鐘就可以實現連接,但被連接材料僅限于棒材和管材,且要求液態金屬能夠潤濕母材,Fernie等[32] 利用摩擦焊方法實現了ZrO2陶瓷與Al 合金的連接。 

                    (2)微波連接:微波連接是一種以陶瓷在微波輻射場中的分子極化產熱作為熱源,并在一定的壓力下實現連接的方法。該方法的特點是節能,升溫速度快,加熱均勻,連接強度高。但難于準確控制溫度,對于介電損耗小的陶瓷需要采用耦合劑來提高產熱。目前微波連接方法主要用來連接陶瓷材料,包括同種和異種陶瓷,但很少見關于陶瓷和金屬微波連接的報道。 

                    (3)超聲連接:超聲連接是通過超聲波振動使陶瓷與金屬的接觸表面相互作用,從而實現連接。特點是操作簡單,連接時間短,Matsuoca等[33] 對超聲連接陶瓷和金屬做了相關研究,目前主要應用于陶瓷與Al的連接。此外還有爆炸連接[34]、電場輔助連接[4]、燒釉封接[3] 等方法。 

                    結束語 

                    盡管陶瓷與金屬的連接方法很多,但不少方法由于其自身的局限性難以實用化。從陶瓷和金屬本身的特點以及對連接接頭性能的要求上考慮,目前被廣泛使用的仍然是釬焊、固相擴散連接以及瞬時液相連接等方法。隨著材料及焊接技術的發展,傳統連接方法的改進及新方法的研究在不斷進行,陶瓷與金屬這兩大類航空航天應用材料將會有更加廣闊應用前景。
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