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陶瓷基复合材料/金属焊接研究现状
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:3/3/2008 阅读:13513

 

 

 

陶瓷基复合材料/金属焊接研究现状

 

 

沈孝芹12,李亚江1,王  1,黄万群1

 

1. 山东大学  材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,山东  济南 2500612. 山东建筑大学  机电学院,山东 济南 250101

 

 

摘要:由于用粒子、晶须或纤维增韧的陶瓷基复合材料有良好的耐磨和耐腐蚀性,是目前备受重视的新型结构材料,用焊接的方法将其与金属焊接制成复合构件可推广应用。介绍了陶瓷/金属常用焊接方法的特点及连接机理,着重讨论了钎焊和扩散焊方法,并对陶瓷基复合材料/金属的焊接研究现状进行了分析。

关键词:陶瓷其复合材料;金属;焊接

中图分类号:TG44TB333      文献标识码:A

 

 

1  引言

现代技术的发展,要求材料能在各种苟刻的环境下可靠地工作。用粒子、晶须或纤维增韧增强的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite,简称CMC)是目前备受重视的型结构材料,具有高强度、高耐、抗氧化、耐腐蚀等优良性能,在航空航天、机械、汽车、冶金、化工、电子等方面具有广阔的应用前景。但陶瓷材料固有的硬度和脆性使其难以加工、难以制成大型或形状复杂的构件,因而在工程应用上受到了很大限制。解决其实用化的最好方法之一是将其与塑性及韧性高且抗温度冲击能力强的金属材料连接起来制成复合构件使用,充分发挥2种材料的性能优势,弥补各自的不足。

Al2O3Zr2OSi3N4SiC等单相陶瓷与金属的连接技术已有了较大进展,但CMC是由多种不同物质组合而成的多相材料,在连接CMC与金属时,除考虑单相陶瓷与金属的连接问题,还应同时考虑连接方法与材料对基体材料和加强材料的适应性,还应考虑避免加强相与基体之间的不利反应以及不能造成加强相(如纤维)的氧化与性能的降低等1,因此复合陶瓷与金属的连接更加困难。本文在综述单相陶瓷/金属焊接现状的基础上对陶瓷基复合材料/金属的焊接现状进行了分析。

 

2  陶瓷/金属的焊接方法

陶瓷/金属连接研究发展到今天,已经有很多连接方法,主要有:①粘合剂粘接;②机械连接;③自蔓延高温合成连接;④熔焊;⑤钎焊;⑥扩散焊等。

2.1  钎焊是陶瓷/金属连接最常用的方法之一,其原理是利用陶瓷与金属母材之间的钎料在高温下熔化,其中的活性组元与陶瓷原料发生化学反应,形成稳定的反应梯度层使2种材料结合在一起。陶瓷/金属钎焊一般分为间接钎焊和直接钎焊。

间接钎焊(也称两步法)是先在陶瓷表面进行金属化,再用普通钎料进行钎焊。进行陶瓷预金属化的方法最常用的是Mo-Mn法,此外还有物理气相沉淀(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂法以及离子注入法等。间接钎焊连接工艺复杂,其应用受到了一定限制。

直接钎焊法(也称一步法)又叫活性金属钎焊法,是在钎料中加入活性元素,如过渡金属TiZrHfNbTa等,通过化学反应使陶瓷表面发生分解,形成反应层。反应层主要由金属与陶瓷的化合物组成,这些产物大部分情况下表现出与金属相同的结构,因此可以被熔化的金属润湿。直接钎焊法可使陶瓷构件的制造工艺变得简单,成为近年来国内外研究的热门2-4。直接钎焊陶瓷的关键是使用活性钎料,在钎料能够润湿陶瓷的前提下,还要考虑高温钎焊时陶瓷与金属热膨胀差异会引起裂纹。在陶瓷和金属之间插入中间缓冲层可有效降低残余应力,提高接头强度。直接钎焊的局限性在于接头的高温强度较低及大面积钎焊时钎料的铺展问题。

2.2  扩散焊

扩散焊是陶瓷/金属连接最常用的另一种方法,是指在一定的温度和压力下,被连接表面相互靠近、相互接触,通过使局部发生塑性变形,或通过被连接表面产生的瞬态液相而扩大被连接表面的物理接触,然后结合层原子间相互扩散而形成整体可靠连接的过程。其显著特点是接头质量稳定、连接强度高、接头高温性能和耐腐蚀性能好。根据被焊材料的结合及加压方式,扩散焊可分为固相扩散焊和瞬间液相扩散焊(Transient liquid phase bonding,简称TLPB)等。

固相扩散焊中,连接温度、压力、时间及焊接表面状态是影响扩散焊接的主要因素。固相扩散连接中界面的结合是靠塑性变形、扩散和蠕变机制实现的,其连接温度较高,陶瓷/金属固相扩散连接温度通常为金属熔点的0.9倍,由于陶瓷和金属的热膨胀系数和弹性模量不匹配,易在界面附近产生高的残余应力,很难实现直接固相扩散连接56。为缓解陶瓷与金属接头残余应力以及控制界面反应,抑制或改变界面反应产物以接头性能,常采用中间层78

瞬间液相扩散焊(TLPB)结合了钎焊和固相扩散焊的优点,既能降低连接温度,又能提高接头的使用温度。其原理是在母材与中间层之间形成低熔点液相,然后通过溶质原子的扩散发生等温凝固,形成组织均匀的焊缝接头。近几年已有人将瞬间液相扩散连接应用到陶瓷与陶瓷或金属的连接中910。邹贵生等对Si3N4陶瓷TLPB连接接头形成过程、中间层设计、连接温度和压力等对接头形成的影响、连接机理等进行了深入系列的研究1112

部分瞬间液相扩散连接方法(PTLP Bonding)是Iino Y1990年提出的,该方法借助多层中间层,通过低熔点金属层的熔化或层间材料的相互扩散和反应形成局部液相区,随后液相区发生等温凝固和固相成分均匀化。目前已报道的用于PTLP连接的中间层材料主要有:Ti/Ni/TiCu/Ni-20Cr/Cu(质量分数),Cu/Ni/CuAu/Ni-22Cr/Au(质量分数),Cu/Ti/Pd/CuTiCu/TiCuTi/Cu/Ni/Cu/Ti13。华东船舶工业学院的陈铮等还进行了用非活性金属FeNi/Cu连接Si3N4陶瓷的研究14

2.3  熔焊

陶瓷和金属的连接采用一般的熔焊方法比较困难,主要表现在如下几个方面:

1)热应力和热冲击等问题严重,集中加热易产生裂纹;

2)某些陶瓷如Si3N4熔化前将升华或分解,而MgO等熔化时迅速蒸发,常压下无法熔焊;

3)多数陶瓷导电性差,电阻焊法难以应用。

目前,陶瓷/金属的熔焊主要是激光熔焊和电子束焊15。采用高能电子束连接陶瓷和高熔点金属(如MoPt)是利用高能电子束加热速度快和金属材料相对于陶瓷材料比热容低的特点,在陶瓷不分解和熔化的条件下使金属熔化并形成连接。采用这2种连接方法虽然速度快,效率高,可以制造高温下稳定的连接接头,但是为了降低连接应力,防止裂纹的产生,必须采用辅助热源进行预热和缓冷,而且工艺参数难以控制,设备投资昂贵。

 

3  陶瓷/金属连接界面反应及接头性能研究

陶瓷和金属在界面间存在着原子结构能级的差异,陶瓷与金属之间是通过过渡层(扩散层或反应层)而焊合的,2种材料间的界面焊合反应对接头的形成和性能有极大的影响。而且陶瓷和金属的线膨胀系数和弹性模量差别很大,在焊接加热和冷却的过程中,接头界面附近产生较大的热应力和残余应力,一般在焊接接头的陶瓷侧产生裂纹并引发断裂16。近年来,国内外科技工作者为解决这2大难题进行了不懈的努力。

冯吉才等人采用BAg45CuZn钎料对TIC金属陶瓷与中碳钢进行了真空钎焊连接,结果表明,利用BAg45CuZn钎料可实现TIG金属陶瓷与中碳钢的连接,接头的界面结构为TIG金属陶瓷/CuNi)固溶体/Ag基固溶体+Cu基固溶体/CuNi)固溶体/CuNi+(FeNi)/中碳钢4。文献〔17〕用Al/Cu/Ti复合层作连接材料,通过连接温度下原位生成金属间化合物真空连接Si3N4陶瓷,结果表明,当原位生成的连接层金属组织为Al3Ti/Ti/Al3Ti时,由于纯金属间化合物Al3Ti脆性大,且其与剩余Ti片的结合强度低,陶瓷接头强度低;当连接层金属组织为大量Al3Ti颗粒加少量Al基固溶体时,连接层金属能获得良好的强化效果。顾怡红等人用真空扩散焊法连接Ti6Al4V/Al2O3,分析表明,在800时扩散焊界面上没有显著的化学反应,随着温度的提高,界面上Ti6Al4V/Al2O3反应生成TiAlTi2AlTi3AlTi组成的脆性混合过渡层,反应产物的存在使基体金属脆化并影响界面附近的残余应力分布18

刘伟平等人采用扫和透射电镜、能谱分析、X射线衍射等研究了Nb膜中间层对单晶Cu与单晶α-Al2O3的扩散焊接特性以及接头组织和性能的影响。结果表明,通过电子束蒸镀获得的多晶Nb膜中间层扩散焊后具有织构组织,其密排面(110)∥(0001Al2O3基面。Nb膜中间层的加入显著提高了Cu/α-Al2O3扩散焊接头的断裂能量。透射电镜观察表明,在Cu/α-Al2O3扩散焊接头的界面附近存在大量位错19。文献〔20〕用AISI 304316321 3种不锈钢做中间层扩散连接热压Si3N4陶瓷,连接温度1100℃,保温时间120min,结果表明,界面形成了7μm的反应过渡区,界面结构有Cr2NFexSiy和α-Fe。当用含Mo不锈钢AISI 316作中间层时,反应产物中还出现了Mo3Si

陶瓷与金属连接接头性能研究目前主要研究方法有3点或4点弯曲试验、剪切试验、拉伸试验及X射线衍射仪测量残余应力等。邹贵生等人研究了Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3N4陶瓷,结果表明,连接时间、连接温度、连接压力及TiNi的厚度影响接头组织和强度,其最佳值分别为60min1050℃,2.5MPa20μm400μm,所得接室湿和800℃时的抗剪强度分别为142MPa61MPa20J H Kim等人对Si3N4/Cu/S45C真空钎焊获得的试样进行4点弯曲试验的结果表明,抗弯强度依赖于连接过程中的残余应力,残余应力导致陶瓷侧出现微裂纹21

雷永平等人用微区X射线仪测量了陶瓷/金属接头陶瓷表面离边缘0.2mm处的残余应力的大小和分布,结果表明在陶瓷侧的外表面靠近界面的地方存在着最大的轴向拉应力,钎料层较厚时,接头残余应力值较高22Blugan G等人

用活性金属钎焊法焊接了w(TiN)30%增强的Si3N4陶瓷与14NiCr14钢,用(CuSnTiZr+Incusil 15)双层钎料焊接的接平均抗变强度大约为400MPa,最大抗弯强度达474MPa23。文献〔24〕认为Si3N4/Al扩散连接界面的断裂机制为脆性剥离。

 

4  陶瓷基复合材料/金属焊接研究现状

陶瓷基复合材料属于正在发展的新型材料,因此关于其焊接技术的研究还开展得相对较少,尤其是陶瓷基复合材料/金属异种材料的连接更是少有报道。目前陶瓷基复合材料的焊接方法主要有钎焊、微波连接、原位或自蔓延高温合成方法连接、无压固相反应连接等25

陶瓷基复合材料/金属钎焊技术基本相同。文献〔26〕选用Cu-Zn钎料在大气中钎焊Al2O3基复合陶瓷与45钢,研究认为其最佳连接工艺参数为:双层陶瓷复合材料预热温度850℃,45钢预热温度300℃左右,钎焊温度9501000℃,连接时间为180s,然后将焊件放入原预热炉内,随炉缓冷,界面抗剪强度可达92MPa。周飞等人在Ar气保护下用0.3mmAl箔连接TiC颗粒增强Si3N4复相陶瓷表明,当连接压力为0.16MPa时,其最佳工艺参数为1000℃,保温30min,抗弯强度可达327.5MPa。根据界面微观分析,在Si3N4基复相陶瓷/Al之间形成Si3N4基复相陶瓷/AlN/Al-Si/Al的梯度层结合界面。由于TiCAl难以发生反应,在连接过程中,TiC几乎保持原状27。文献〔28〕还用有限元法对SiCw/Ai2O3复合陶瓷/金属钎焊反应层界面热应力进行了计算。结果表明,复合陶瓷/反应层界面的残余应力变化急剧,最大拉应力位于晶须、基体和反应层的交接处;晶须内部及其表面存在较高的双向压应力,Al2O3基体主要承受垂直于界面的拉应力;SiC晶须/反应层界面及其附近的反应产物TiC内部具有较高的平行于界面的拉应力,当连接界面承受剪应力作用时,SiC晶须/反应层界面和TiC处极破坏。

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。用微波加热方法固相连接陶瓷材料时,一般要加压。但CMC材料的耐压性能差,因此在用微波加热连接时要解决不加压就可以实现连接的问题。Aravindan S等人用NaSi玻璃粉末作中间层材料不加压微波加热焊接了Al2O3-ZrO2复合陶瓷,连接温度1000℃左右。3点弯曲试验表明,接头强度为28MPa29

文献〔30〕提出了一种原位生成AlCu2Ti半固态连接Si3N4-TiC复相陶瓷的工艺,用Ag-Cu-Ti-Ti-Al-Ti-Ag-Cu-Ti做中间层,在温度为1023 K时,保温30min,然后快速升温至1173 K并保温10min,真空度约为3.5MPa,并施加一定的压力。钎缝中原位生成了直径为十几μmAlCu2Ti金属间化合物增强相,AlCu2Ti颗粒比较均匀地分布在Ag-Cu共晶基体中。

 

5  结论

钎焊和扩散焊是目前陶瓷/金属主要的焊接方法,此外还有熔烛地、自蔓延高温合成连接、场致扩散焊接、摩擦焊、粘合剂粘接、机械连接等多种连接方法。陶瓷基复合材料是新型结构材料,其焊接方法主要有钎焊、微波连接、原位或自蔓延高温合成方法连接等。但陶瓷基复合材料/金属异种材料的连接报道较少,是未来焊接领域的一个重要的研究方向。

 

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