1. 引言

隨著航空航天、船舶、電子工業(yè)以及能源等高新技術的崛起和迅猛發(fā)展，對材料性能的要求越來越高。而傳統(tǒng)單一的材料在許多情況下都無法滿足工業(yè)生產(chǎn)對材料綜合性能的要求。因此，對異種材料連接技術的研究與開發(fā)，已成為當前連接領域的前沿和熱點之一。異種材料連接構件能夠最大限度的利用材料的各自優(yōu)點，收到“物盡其用”的效果。其中，陶瓷與金屬連接應用廣泛而且十分具有代表性，一直是國內外理論和應用研究領域的熱門話題。

因此，研究陶瓷/金屬連接接頭中殘余應力的大小及分布，尋找降低殘余應力的方法是陶瓷/金屬連接中的一個重要問題。本文在相關研究基礎上，對Al2O3陶瓷與不銹鋼材料接頭殘余應力進行了探討，提出了陶瓷與金屬連接的新方法，從而為獲得良好的接頭性能提供重要的實踐指導。

2. 陶瓷與金屬材料連接新技術

連接接頭形式、降溫速度、焊料種類及厚度等各種因素都對連接接頭殘余應力有影響。當這些參數(shù)一定時，我們可以通過加入金屬中間層來提高接頭的強度，一方面中間層可以阻隔有害元素的擴散，防止金屬間化合物的產(chǎn)生，另一方面中間層還能起到緩解母材之間由于熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的殘余應力。因此，進行Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭的殘余應力的研究，對于合理選擇緩沖層種類、厚度及添加形式，獲得高性能接頭，有著十分重要的理論和實際意義。

2.1含有不銹鋼泡沫中間層的陶瓷與金屬連接接頭殘余應力實驗研究

2.1.1 實驗材料

本實驗首次選用了不銹鋼泡沫材料作為中間層，不銹鋼泡沫材料孔隙率為75%開孔泡沫材料，其基本的性能參數(shù)如下所示：彈性模量132GPa，切變模量43.6GPa，線膨脹系數(shù)12.6×10-6/K，傳熱系數(shù)4.2 W/m℃，密度1500 kg/ m3 ， 泊松比0.3。

本實驗所使用的母材為95%Al2O3陶瓷和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，不銹鋼泡沫的化學組成與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相同。釬料為箔片狀釬料Ag-Cu-Ti，厚度為100μm。

2.1.2 實驗工藝

實驗前用不同型號的水砂紙逐級打磨去除試件表面的氧化膜，并用丙酮溶劑對材料進行去油、去污染處理，再用無水乙醇進行脫水處理，最后用風機吹干待用。陶瓷和釬料表面用乙醇和丙酮清洗并用風機吹干。Ag-Cu-Ti箔直接放置在陶瓷和不銹鋼中間；不銹鋼泡沫層夾在陶瓷與不銹鋼之間，且在每兩種材料之間分別加入釬料。試驗過程中先以100℃/min的加熱速度加熱至800℃，保溫5min，然后加熱到釬焊溫度T，保溫10分鐘左右，然后以50℃/min的速度緩慢冷卻，完成連接后，冷卻至室溫附近才能從真空室中取出試件，以防止試件氧化。

2.1.3性能測試及微觀分析

以抗剪強度衡量接頭力學性能。將用于強度試驗的焊接試件在萬能試驗機上進行試驗。測試時，將試件放入特制的夾具，壓頭移動速度為0.5mm/s，記錄接頭斷裂時所施加的載荷，取三個接頭的強度平均值作為最后的結果。

用金剛石切割機將用于界面分析的陶瓷/不銹鋼釬焊接頭沿垂直焊縫方向切開，制成金相試樣，用金相砂紙逐級磨光，然后用0.5μm的金剛石研磨膏在拋光機上拋光，拋光的質量在顯微鏡放大150倍進行觀察當焊縫組織且周圍無劃痕為止。最后用王水進行侵蝕。

采用掃描電鏡（SEM，S-4700）觀察連接接頭界面微觀組織結構特征；用能譜儀（EDS，TN-4700）對接頭進行點掃描，測定界面元素成分等。

2.2 含不銹鋼泡沫中間層的接頭的組織結構分析

為了分析不銹鋼泡沫中間層對Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭界面組織形態(tài)的影響，本實驗研究了釬焊溫度850℃，保溫時間20min，釬焊壓力1.2MPa條件下得到的含不同厚度（0.2mm、0.4mm和0.6mm）不銹鋼泡沫中間層的接頭組織結構。

實驗結果表明：填加不銹鋼泡沫中間層后，陶瓷與不銹鋼接頭的界面呈現(xiàn)多層次的組織結構，接頭界面顯微組織可以劃為3個不同的特征區(qū)域：陶瓷/釬料的擴散層、中間層界面和不銹鋼/釬料的擴散層。由于不銹鋼泡沫材料的化學成分與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的完全相同，在釬焊過程中，中間層材料與Ag-Cu-Ti釬料反應生成的物相與未加泡沫層時相同，接頭界面組織形貌均與不含不銹鋼泡沫層時釬焊接頭的組織相似。但是，組織結構的明顯變化是出現(xiàn)了許多不規(guī)則的孔洞，這些孔洞不僅分散在接頭的中間層界面上，而且也出現(xiàn)在接頭的擴散層界面附近，并且孔洞的尺寸大小不同，例如在0.2mm厚度的不銹鋼泡沫中間層中，接頭的孔洞集中在中間層區(qū)域，而且都是一些尺寸較小的孔洞；而0.4mm厚度泡沫層接頭組織結構特征則表現(xiàn)為少量的大尺寸孔洞和分布在其周圍的較多的小尺寸孔洞；最后是較多的較大尺寸的孔洞分散在含泡沫層厚度為0.6mm的陶瓷/不銹鋼釬焊接頭中。

為了進一步確定界面反應產(chǎn)物，對各個反應層相成分進行能譜分析。加入不銹鋼泡沫層后，釬焊過程中釬料中的活性元素不僅僅向母材擴散（擴散的結果是高溫下的活性金屬Ti被陶瓷表面選擇行吸附，降低了陶瓷界面能，使合金與陶瓷更好的潤濕，其中部分Ti也與陶瓷表面組成分發(fā)生化學反應，還原了其中的金屬離子，形成Ti的低價氧化物；同時也有部分合金元素與不銹鋼接觸發(fā)生相互擴散形成金屬鍵聯(lián)結獲得牢固的擴散層），而且也向不銹鋼泡沫中間層中擴散，形成彼此之間的冶金接合，中間層中的白色和深灰色固溶體組織。此外，由于不銹鋼泡沫結構中包含有大量的孔洞，液態(tài)釬料在焊接過程中可以自由流動到孔洞中，冷卻后與泡沫形成機械接合，從而可以得到牢固的接頭。

3. 結論

不銹鋼泡沫緩解層的加入既可以實現(xiàn)陶瓷與不銹鋼的良好連接，也可以改善接頭中元素的擴散分布，并且界面層各區(qū)域中的活性元素Ti的分布發(fā)生了較大變化，尤其在靠近陶瓷側擴散層的含量明顯降低，抑制了接頭脆性金屬間化合物的生成，從而改善了接頭性能。