摘 要：異種材料的復(fù)合利用具有廣闊應(yīng)用前景。陶瓷與金屬因化學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)不同，直接焊接存在諸多困難。為實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的可靠連接，開展焊接技術(shù)研究意義重大。本文介紹了釬焊、擴(kuò)散焊、自蔓延高溫合成焊接等主要焊接方法，分析了界面殘余應(yīng)力的成因及釋放方式，以期為陶瓷與金屬異種焊接提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：陶瓷；金屬；焊接技術(shù)

1 前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷與金屬異質(zhì)材料的復(fù)合利用在航空航天、電子信息等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于陶瓷與金屬在熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)率、界面結(jié)合力等方面存在明顯差異，直接焊接兩種材料存在困難。為實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的可靠連接，開展異種材料間的連接與界面控制技術(shù)研究具有重要意義。

2陶瓷與金屬焊接的難點(diǎn)

2.1化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)差異

陶瓷和金屬之間存在顯著的化學(xué)組成和原子排列結(jié)構(gòu)的差異。陶瓷主要由共價(jià)鍵和離子鍵組成，具有脆性斷裂特點(diǎn)；而金屬主要由金屬鍵組成，可實(shí)現(xiàn)塑性變形。陶瓷氧化鋁的化學(xué)式為Al2O3，化學(xué)計(jì)量比為2：3；而金屬鋁的化學(xué)式為Al，不含氧原子，這兩種完全不同的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致陶瓷與金屬間原子結(jié)合強(qiáng)度存在明顯差異，直接焊接時(shí)，必須克服這種結(jié)構(gòu)和組成差異，否則會(huì)導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足。

2.2物理性質(zhì)差異

陶瓷與金屬之間在熱物理性質(zhì)上存在明顯差異。與金屬相比，陶瓷具有較低的熱導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)以及較慢的熱應(yīng)力釋放速率。具體來說，陶瓷材料的熱導(dǎo)率通常在2030 W/（m·K）左右，遠(yuǎn)低于金屬材料的50400 W/（m·K）；陶瓷的線膨脹系數(shù)約為（48）×10-6/°C，也明顯低于金屬的（1124）×10-6/°C；此外，陶瓷回散時(shí)間常為金屬材料的10～100倍。這些特性使陶瓷與金屬直接焊接時(shí)，界面處會(huì)產(chǎn)生大量熱應(yīng)力。另外，陶瓷與金屬在熔點(diǎn)、熱容量、密度等參數(shù)上也存在顯著差異，這增加了選擇合適焊接工藝參數(shù)的難度[1]。

2.3濕潤性差異

陶瓷表面具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和惰性，很難與活性金屬實(shí)現(xiàn)良好的濕潤。陶瓷基體材料SiC的接觸角可高達(dá)140°，而金屬基體NiCrAl的接觸角僅為30°左右，兩種材料存在巨大的界面自由能差異，這會(huì)導(dǎo)致活性金屬釬料與陶瓷基體之間的結(jié)合力較差。Shi等研究表明，陶瓷表面存在的氧化硅等氧化物會(huì)降低其對(duì)釬料的濕潤性。此外，陶瓷表面的粗糙度也會(huì)影響其濕潤性。Ra約為1.5μm的陶瓷表面接觸角顯著高于0.18μm的光滑表面。

2.4界面反應(yīng)層脆弱

在陶瓷與金屬的異種焊接過程中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)差異，界面處常常會(huì)發(fā)生一定程度的元素互擴(kuò)散，形成反應(yīng)層。這種界面的反應(yīng)層大多比較脆弱，其斷裂強(qiáng)度往往只有基體材料的30%左右。例如，在SiC陶瓷與Ti-6Al-4V鈦合金擴(kuò)散焊接中觀察到約5μm厚的反應(yīng)層，其硬度僅為基體的35%；在Al2O3陶瓷與銅材料之間的直接焊接中，銅中的Al元素可擴(kuò)散入陶瓷基體，在界面生成CuAlO2反應(yīng)層，該層脆性較大。反應(yīng)層的脆弱會(huì)導(dǎo)致界面粘結(jié)強(qiáng)度下降，從而影響焊接質(zhì)量。

3陶瓷與金屬焊接的主要方法

3.1釬焊

釬焊是一種簡單有效的異種材料連接方法，其原理是利用熔點(diǎn)較低的金屬間化合物（釬料）在高于自身熔點(diǎn)的溫度下熔融濕潤固體基體，基體表面溶解并在釬料中擴(kuò)散，最終在界面形成中間層實(shí)現(xiàn)連接。釬焊用于陶瓷與金屬的連接效果出色，工序簡單，對(duì)基體損傷小，可批量生產(chǎn)。但由于陶瓷與金屬熱物理性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致釬焊過程中存在界面反應(yīng)不充分、殘余熱應(yīng)力過大等問題，需要優(yōu)化釬焊材料及參數(shù)來獲得高質(zhì)量的連接[2]。

釬料是釬焊過程中最關(guān)鍵的影響因素，其組成和性能直接決定了連接的質(zhì)量和力學(xué)性能。理想的釬料需要具備以下性質(zhì)：良好的潤濕性可使釬料覆蓋基體表面；優(yōu)異的鋪展性可使釬料均勻分布于基體間隙；適當(dāng)?shù)恼扯瓤捎行Э刂柒F料流動(dòng)；合適的熱物理參數(shù)可減輕熱應(yīng)力影響；與母材有良好的互溶擴(kuò)散作用以形成中間層。常用釬料包括銅（熔點(diǎn)1083℃）、銀（熔點(diǎn)960℃）、金（熔點(diǎn)1064℃）等活性金屬及其間化合物和低熔點(diǎn)（800℃～900℃）金屬玻璃等，具體性能對(duì)比見表1。

非晶合金釬料具有廣泛的潤濕范圍（20°～90°）、低的熔化溫度（＜400℃）、高熱穩(wěn)定性，是一種有效的釬料。鈦合金由于高活性常作為過渡層提高界面質(zhì)量，釬料成分的均勻一致性直接影響連接的穩(wěn)定可靠性，釬焊參數(shù)直接影響界面反應(yīng)和殘余應(yīng)力的程度。提高釬焊溫度（一般1000℃～1100℃）有利于原子間的傳質(zhì)擴(kuò)散，使界面結(jié)合更牢固，但高溫也會(huì)加劇殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生。合理選擇釬焊保溫時(shí)間（5min～60min），既要保證界面充分反應(yīng)，又要控制殘余應(yīng)力的積累。采用真空或保護(hù)氣氛（如Ar）焊接，可以防止氧化，獲得清潔的界面。

3.2擴(kuò)散焊

擴(kuò)散焊是利用材料在一定溫度下發(fā)生原子間擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)固相連接的一種焊接方法。當(dāng)兩個(gè)清潔的金屬表面緊密接觸后，在一定的壓力及溫度作用下，金屬表面原子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，兩金屬間會(huì)形成固溶體或化合物，實(shí)現(xiàn)金屬間的連接。擴(kuò)散焊是目前實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬異種材料焊接的最主要方法之一，其主要工藝參數(shù)包括焊接溫度、保溫時(shí)間和焊接壓力。一般情況下，溫度越高、保溫時(shí)間越長，擴(kuò)散速率就越大，焊接效果越好。但溫度過高會(huì)使材料產(chǎn)生過度燒結(jié)；保溫時(shí)間過長也會(huì)導(dǎo)致界面反應(yīng)層過厚，降低接頭力學(xué)性能。因此，選擇合適的焊接溫度和保溫時(shí)間對(duì)獲得優(yōu)良的擴(kuò)散焊接頭至關(guān)重要[3]。

3.3自蔓延高溫合成焊接法

自蔓延高溫合成焊接法是一個(gè)新型的高效異種材料連接技術(shù)，也稱為自蔓延燃燒合成（SHS）焊接技術(shù)。該技術(shù)利用高溫條件下化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量，在無需外加能量的條件下，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的復(fù)雜物理化學(xué)過程焊接。

與傳統(tǒng)的熔化焊接工藝相比，SHS焊接具有熱輸入低、焊接變形小、冷卻速率快等特點(diǎn)，可以有效減少熱應(yīng)力和熱影響區(qū)，從而減小殘余熱應(yīng)力，并有利于獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)，SHS焊接工藝簡單，無需復(fù)雜的設(shè)備和高昂的能源投入，工藝成本較低。此外，SHS焊接生成的金屬間化合物過渡層，可實(shí)現(xiàn)材料性能的良好過渡，減小陶瓷與金屬的物理化學(xué)性質(zhì)突變，有效改善界面結(jié)合力。因此，SHS焊接技術(shù)被認(rèn)為是連接陶瓷與金屬異種材料的有效方法之一。

目前，SHS焊接技術(shù)已經(jīng)用于各類非氧化物陶瓷如碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等與金屬材料的連接。典型的SHS焊接體系包括Ni-Al粉末/SiC陶瓷、Ti-Si粉末/SiC陶瓷、Zr-Si粉末/Si3N4陶瓷等。通過調(diào)控SHS焊接體系的化學(xué)反應(yīng)條件，可以合理設(shè)計(jì)界面反應(yīng)層的成分和微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。一些研究表明，SHS焊接技術(shù)可以獲得高達(dá)200MPa的銅/SiC陶瓷界面剪切強(qiáng)度，顯著提高了異種材料的連接力學(xué)性能[4]。SHS焊接技術(shù)目前已應(yīng)用于一些高溫構(gòu)件的組裝和修復(fù)，展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用前景。

3.4熔化焊

熔化焊是利用高溫?zé)嵩词菇饘偃刍?，陶瓷不熔化的條件下進(jìn)行焊接的方法。根據(jù)不同的熱源，可分為電弧焊、激光焊、電子束焊等。電弧焊利用電弧的高溫實(shí)現(xiàn)金屬的局部熔化，可獲得高達(dá)200 MPa的剪切強(qiáng)度，但熱影響區(qū)較大。激光焊接可以通過精確聚焦實(shí)現(xiàn)小面積的高溫加熱，焊口質(zhì)量好、熱影響區(qū)僅為0.5 mm，可用于微部件的高精度焊接。電子束焊利用高能電子的轟擊加熱達(dá)到20000℃以上，焊接深度可控，無需保護(hù)氣氛。這三種方法各有優(yōu)勢(shì)，都可實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的熔化焊接。熔化焊的關(guān)鍵是控制金屬側(cè)的熔化而陶瓷側(cè)不熔融。一方面，需選擇熔點(diǎn)低的金屬；另一方面，陶瓷材料具有極高的熔點(diǎn)，難以熔化。同時(shí)，陶瓷材料容易在高溫下發(fā)生裂解，需要嚴(yán)格控制熱源功率和焊接時(shí)間，通常小于10 s，避免陶瓷熱分解。熔化焊的主要問題是界面殘余熱應(yīng)力大，因?yàn)榻饘俸吞沾傻臒嵛锢硇再|(zhì)差異較大，冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生截然不同的熱收縮，導(dǎo)致界面產(chǎn)生拉應(yīng)力。解決方法包括采用漸進(jìn)加熱的層狀熱源進(jìn)行焊接，減少熱應(yīng)力；進(jìn)行冷壓縮，通過冷壓縮應(yīng)力提高界面結(jié)合強(qiáng)度；設(shè)置過渡層進(jìn)行漸進(jìn)連接。

熔化焊技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種陶瓷與金屬的連接，特別是氧化物陶瓷與鋼材的焊接應(yīng)用廣泛。例如，利用電子束焊接實(shí)現(xiàn)了氧化鋁Al2O3與304不銹鋼的混合連接；采用電弧焊實(shí)現(xiàn)了96%氧化鋯穩(wěn)定化氧化鋁與304不銹鋼的連接強(qiáng)度≥200 MPa。

4陶瓷與金屬界面殘余應(yīng)力的緩解

4.1界面殘余應(yīng)力的生成機(jī)理

陶瓷與金屬異種材料焊接時(shí)，由于兩種材料在化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)等方面存在明顯差異，在焊接加熱和冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和塑性變形，這些應(yīng)力在陶瓷/金屬界面處無法得到有效的應(yīng)力釋放和再分配，因而在界面的一定范圍內(nèi)殘留下來，形成界面殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力不僅取決于材料本身的屬性，也與焊接工藝參數(shù)有關(guān)。較大的熱應(yīng)力、界面反應(yīng)層的增厚以及金屬與陶瓷之間的結(jié)合力較弱，都會(huì)導(dǎo)致界面殘余應(yīng)力增大。因此，控制焊接工藝，優(yōu)化界面組織結(jié)構(gòu)，是有效控制和減小殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。

4.2殘余應(yīng)力的有害影響

界面殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致界面撕裂和裂紋擴(kuò)展，削弱陶瓷/金屬焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度，降低構(gòu)件的使用壽命。殘余應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致界面脫膠、界面的再結(jié)晶以及金屬元素在陶瓷中的擴(kuò)散，這些都會(huì)降低界面結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，殘余應(yīng)力的大小會(huì)影響材料強(qiáng)化相的析出，殘余應(yīng)力過大會(huì)抑制強(qiáng)化相的沉淀，不利于獲得所需的力學(xué)性能。

4.3殘余應(yīng)力的釋放方法

4.3.1熱處理法

適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢允共牧蟽?nèi)部的殘余應(yīng)力得到部分釋放。熱處理方法包括回火和時(shí)效兩種，回火是在一定溫度下進(jìn)行等溫保溫，然后冷卻到室溫，可以使材料組織恢復(fù)，內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放；時(shí)效是使材料在較低的溫度進(jìn)行保溫，維持足夠長的時(shí)間，使材料內(nèi)部向穩(wěn)定狀態(tài)演變[5]。但熱處理溫度過高會(huì)使界面反應(yīng)層繼續(xù)增厚，加劇殘余應(yīng)力而導(dǎo)致界面破壞。因此熱處理溫度的選擇對(duì)殘余應(yīng)力的釋放和界面結(jié)合至關(guān)重要，一般選用不大于材料回火溫度的低溫進(jìn)行熱處理，以防止界面反應(yīng)層過度增長。

4.3.2表面處理法。

表面處理可以增加金屬與陶瓷的可塑性，促進(jìn)界面反應(yīng)生成過渡層，從而緩解殘余應(yīng)力。常用的表面處理方法有：（1）氧化處理：在一定溫度下使陶瓷表面生成氧化膜，這種陶瓷表面活化的方法可以提高界面強(qiáng)度，有效減少殘余應(yīng)力；（2）滲碳處理：利用碳原子侵入陶瓷母材表層，生成過渡層，可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度；（3）鍍層法：在陶瓷表面鍍一層與填充料反應(yīng)性好的金屬薄膜，能促進(jìn)界面反應(yīng)生成金屬間化合物，從而提高陶瓷與金屬的結(jié)合強(qiáng)度。

5結(jié)論

綜上所述，陶瓷與金屬異種材料焊接技術(shù)研究具有重要意義和廣泛應(yīng)用前景。通過采用各種先進(jìn)的焊接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的良好焊接，發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，滿足工程需求。但界面殘余應(yīng)力問題依然存在，今后應(yīng)加強(qiáng)漸進(jìn)性構(gòu)建、數(shù)值模擬分析等殘余應(yīng)力釋放技術(shù)的研究，以期獲得高性能的陶瓷與金屬異種焊接接頭。

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