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陶瓷与金属特种焊接技术的开发与应用
姓名：魏禹 班级：10731 学号：17
摘 要 : 介 绍 了 近 年 来 发 展 的 陶 瓷 与 金 属 的 焊 接 技 术 , 并对 其 焊 接 工 艺 特 点 及 应 用 情 况 进 行 了 分 析 与 总 结 。
关键词：陶瓷，焊接
陶 瓷 具 有 强 度 高 、硬 度 高 、弹 性 模 量 大 、热 胀系数小 、密度低、抗腐 蚀及耐磨 等优良的力 学性能 和 物 理 化 学 性 能, 可 望 在 航 空 、航 天 、军 工 、核 能 、汽车 及刀具制造 等领域获 得广泛应用 。但陶瓷的 机械加工性 能差、延性和 冲击韧度低 、耐热冲击能力弱, 因此不 易制成大型 形状复杂的 构件,故其单独使用受到 了实际问题 的挑战,而是 必须通过 焊接简单陶瓷 零件制造 复杂构件成 为可能的制 造途径。为解决这 一问题, 世界 各国学者和 工程工作者 在不断探求 陶瓷的焊接 技术,以期获 得兼具陶瓷和 金 属 各 自优 异 性 能 的 陶 瓷 - 金 属 焊 件 。 而 且 这 一技术倍受人们的关注 ，已成为材料工程领 域的热点研 究课题之一 。
金属与陶瓷 在化学键型 、微观结构 、物 理性质 和力学性能 等方面存在 较大差 异, 采 用电弧 焊 或电阻焊不能 获得满意 的焊接接头 , 生产中常用 的是钎焊和 扩散焊。但是 随着 研究 的不断深入 , 又出现了许多新 的方法, 例如 , 激光焊、性 原子束焊、 超声波焊、微 波焊以 及燃 烧合成技术 等。本文主要就近年来针 对陶瓷与金 属焊接而开 发的上述方 法的焊接工艺 特点和应用 现状作一介 绍。
1 激光焊接
陶 瓷 制 品 的 激 光 焊 接 的 主 要 困 难 是 热 裂 纹 。这是 因为陶瓷的 弹性模量 高, 导热 能 力 低 , 在 局 部温 度效应很高 的情况下, 导 致应力的 产生其传统 的解决办法 是对陶瓷工 件进行预 热 和 调 整 激 光 束等措施。
Mittweida 公司的 激 光 应 用 中 心 开 发 了 一 种 能 够 规 定 应 力 危 险 区 加 热 的 方 法 , 即 用 双束激 光 进行 陶 瓷 焊 接, 其原 理 如图 所示 1。

它 是 利 用 扫 描 器 引 入 的CO2激 光 束 对 材 料 加热 ，要 求 在 焊 接 过 程 能够保证 它 与 另 一 束 光 纤 导 入 Nd: YAG 一 连 续 波
激光束相 连接。这种方 法的优点 是 能 在 几 秒 钟 内 获得可 控的温度场 ,并能在自由 条 件 下 进 行 加 工 , 无需 特殊处理[1]。
用 该 方 法 焊 接 的 Al2O3 陶 瓷 试 样 , 试 验 表 明 ,激光焊接区 细晶粒是均匀的, 几 乎 看 不 到 什 么 变化。在电子 显微镜下, 可 以看到晶 粒 呈 片 瓦 结 构 , 防止了裂 纹的产生和 扩展。 经 100 次 反 复 加 热 和 冷 却的热疲 劳 试验, 焊接 试样的抗 弯 强 度 并 没 有明显下降。目 前已出现用 二氧化碳激 光装置来焊接氧化铝瓷 、莫来石瓷和 镁橄榄石瓷 等新型陶瓷。
2 中性原子束焊接[2]
中性原子束 焊接方法是 利用重型原 子束照射 金属与陶瓷 的接合面, 使 接合面的原 子“活化”。清 洁的物质表 面具有极佳 的活性, 然而 物质表面 往 往沾有污物 或者覆盖 着一层极薄 的氧化膜, 使 其 活性降低 。该方法主要 是对接合 面照射氩等 惰性 气 体 的 1 000~1 800 电 子 伏 特 的 低 能 原 子 束 , 从 表 面 除 去 20 μm 左 右 的 薄 层 , 使 表 面 活 化 , 然 后 加压, 利用 表面优异的 反应速度进 行常温状态 下 的接合 。此方法可用 于氮化硅等 高强度陶瓷 或者 高温超导陶 瓷与金属的 接合。另外, 对 于超大规模 集成电路芯 片与电路基 板的接合也 显示出良好 的 效果。其接合 强度可与以 往的加热接 合相同, 而且 接合的电阻 极小, 接合效 果甚佳。
3 超声波焊接
这 种 方 法 主 要 用 于 铝 与 陶 瓷 的 焊 接 , 它 是 通 过超 声波振动和 加压实现 常温下结合 的一种有效 方法。其步骤 是:(1)在金属或 者陶瓷的任 何一方与 接合面平行 的方向给以 超声波振动 并把该振动 传 往另一方的 接合面上;(2)加 压[2]。日本 ULtex 公司 开发了一种 自动式超声 波陶瓷与金 属焊机, 其 波 长 为 几 米 到 50 m, 振 幅 为 数 微 米 至 50 μm, 频 率 为 20~40 kHZ[3]。
用 此 方 法 焊 接 铝 和 各 类 陶 瓷 均 获 得 成 功 , 而 且接 合时间仅需 要数秒。由于此方法的接合能是
利用了超声波振动, 因而设备较简单,缩短了焊接
时间, 比一般常用焊接方法成本大幅度降低。
4 微波焊接
利用微波在 高温下焊接 陶瓷,是近十几年来迅速发展的一 种新技术。微 波焊接是利 用微波电磁 场 与 材 料 的 相 互 作 用, 使 电 介 质 在 交 变 电 场 的 作 用下产生极化和损耗,从而完成焊 接。
微波焊接具 有接头强度高、升温速度 快、晶粒 不会严重长大、晶界相元 素分布比焊 接前更均 匀
和温度易于 控制、能耗 低等优点。国 内外对它的 研 究很多。
Meek 等 [4] 最 早 开 始 微 波 焊 接 的 研 究 工 作 , 他们利 用 家 用 微 波 炉 (littion151 型,700 W) 实 现 了
Al2O3 薄片间 的玻璃封接 。Sato 等 用 微 波 在 短 时 间 内 焊 接 了 Mao 陶瓷。微 波焊接的温 度和压力越高,接头的抗弯强度
越大。 微波焊 接后接头的 硬度比基体的硬度高，在温 度 约 1 867℃、压 力 0.5 MPa 下 微 波 焊 接 4 min, 弯曲强度达最大值 的 70%。
Sirbelglitt 等[6]用 单 模 和 多 模 微 波 腔 体 焊 接 了 陶 瓷片。
ZHOU Jian 等 [7] 成 功 地 对 Al2O3 - Al2O3 以 及
Al2O3和 HAP 生物陶瓷进行焊接。并借助 电镜、 电 子 探 针 分 析 了 界 面 结 合 情 况 。 前 者 在 压 力 2
MPa,1300℃保 温 15 min 时 结 合 强 度 达 到 基 体 强 度 ; 后 者 在 2.5 MPa,1 200℃保 温 15 min 左 右 成 功
将两类材料焊接在一起。
5 燃烧合成技术
燃 烧 合 成 ( CS) 技 术,又 称 为 自 蔓 延 高 温 合 成 技 术 , 是 前 苏 联 化 学 物 理 研 究 所 的 科 学 家 Merzhanov等人于1967 年首先提出的[8]。CS 焊接作为一种新型特种焊接工艺,目前基本处于试验阶段, 国内外 对它的研 究主要集中在异种难熔 金 属、陶瓷和金属间化合物焊接方 面。
日 本 学 者 Miyamoto[9] 首 次 利 用 CS 焊 接 技 术 实 现了金属 Mo 与 TiC 陶瓷的焊接。Rabin 等[10]详 细 研 究 了 Sic 陶 瓷 及 纤 维 增 强 陶 瓷 焊 接 , 采 用 Ti-C-Ni 粉 末作为焊料实现了 SIC 陶 瓷 的 焊接。该 体 系 在 CS 焊 接 过 程 中 , 不 仅 反 应 生 成 TIC-Ni, 而 且由于TI、NI 是 活 性 比 较 强 的 元 素 , 因 此 在 界 面 处可以与陶瓷反应, 提高接头可靠性。
在 国 内 , 李 树 杰 等 [11] 选 择 在 航 空 领 域 最 有 应用前景 的 SIC 陶 瓷, 以 镍 基高 温合 金作为母 材 , 以
Ti C-Ni-Al 为 焊 料 , 利 用 Gleeble1500 热 模 拟 机 进
行 CS 焊 接 试 验 , 并 对 CS 焊 接 工 艺 、界 面 反 应 及 微 观结 构都做了较 全面的分 析 。他们认为 连 接 机 制有 两 点: 一 是母材与焊 料之间发生 界 面扩散 而 形成界面反应层; 二是焊料中的液 相通过毛细 渗 透作用渗入SiC陶瓷的空隙中, 冷却 后产生 界 面 机 械 咬 合 作 用 。 刘 伟 平 等[12]则 在 常 规 真 空 扩 散 焊 机上实现了陶瓷与陶瓷 的 CS 焊接。
综 合 上 述 内 容：尽 管 陶 瓷 与 金 属 的 焊 接 方 法 很多 , 但每种方法 都有其自 身的优点和 缺点, 甚至 有些方法还 处于实验研 究阶段, 一时 还难以实 用 化。但是随着 焊接技术 的发展, 陶瓷 与金属的焊 接 技术必将得 以完善和发 展, 同时还可 能会出现 新的焊接方法 , 这为陶瓷 与金属的焊 接提供了坚 实 的基础。
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