工程陶瓷的发展背景和焊接工艺

         工程陶瓷发展背景

         随着科学技术的发展，陶瓷的组成、性能、制造工艺和应用领域已发生了根本性的变化，从传统的生活用陶瓷发展成为具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷在电子信息技术中发挥了重要的作用；同时由于工程陶瓷独特的高温性能、耐磨和耐腐蚀等性能而使其成为发展陶瓷发动机、磁流体发电及核反应装置等高科技产品的重要材料，但是工程陶瓷严重的脆性而使其无法做成复杂的和承受冲击载荷的零件。因此工程陶瓷必须采取连接技术来制造复杂的陶瓷件以及陶瓷和金属的复合件。这就涉及到陶瓷与陶瓷以及陶瓷与金属的焊接问题。早在本世纪30年代，在电子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金属的封接技术，这实际上应是一种用密封管子的钎焊。但它以达到密封为主要目的，因此该技术并不一定能满足工程中受力要求同的陶瓷与金属复合件的焊接。近二十多年来随着工程陶瓷的开发和应用，如汽车工业中陶瓷发动机的研究和开发，大大地推动了工程陶瓷焊接技术的发展。我国在50年代末开始研究电子管制造中的陶瓷-金属封接技术，但作为工程上应用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，为适应绝热或无冷发动机研制的需要而发展起来的，并已取得了较大的进展。

         工程陶瓷技术关键

         不论陶瓷与金属焊接，还是用金属填充材料焊接陶瓷与陶瓷时都存在陶瓷/金属界面的结合问题。由于陶瓷与金属在电子结队晶体结构、力学性能、热物理性能以及化学性能等方面存在着明显的差别，因此要实现陶瓷/金属界面的冶金结合是非常困难的；用常规的焊接材料和工艺几乎无法获得可靠的连接，尤其是熔化焊。因为一些工程陶瓷（如SiC、Si3N4、BN）在熔化前就升华或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化时迅速蒸发，其他能熔化的陶瓷，也很难与金属熔合在一起形成组织和性能满意的接头。到目前只有个别用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的报道，如用电子束将Mo、Nb、W或可伐合金丝熔合到Al2O3绝缘体上以及用激光焊接Al2O3等。现有的较成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的条件下进行的，如研究得最多的钎焊与扩散焊。用这些方法焊接陶瓷时的关键问题为：

         （1）工程陶瓷界面反应问题无论是扩散焊还是钎焊，陶瓷/金属界面的结合机制都属于化学结合。陶瓷钎焊时钎料熔化后能否与陶瓷润湿也取决于界面反应；

         工程陶瓷没有界面反应就不能润湿，不能结合。因此，钎焊时陶瓷/金属的界面反应不仅是产生化学结合的必要条件，而且也是润湿陶瓷的先决条件。例如用常规的Ag-Cu钎料钎焊Si3N4时，既不润湿又不结合；

         工程陶瓷用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti钎料钎焊时，润湿和结合都很好。根据热力学条件，工程陶瓷活性元素的选择原则是以其与陶瓷之间反应的自由能变化ΔG0为准则。在扩散焊时为获得好的界面结合，金属也必须对陶瓷具有活性，例如Si3N4与Al的焊接；若金属的活性很差时，须采用加活性中间层的办法。

         （2）工程陶瓷界面两侧的热-力学的匹配问题由于陶瓷和金属之间的热膨胀系数相差很大，因此由焊接温度冷却下来后会产生很大的热应力，降低了接头的断裂强度。甚至开裂。目前主要的解决办法是在陶瓷和金属之间加中间层。作为中间层的金属有两类：①热膨胀系数小的金属；②屈服点σs和弹性模量E低的软金属。但通常二者是相互矛盾的。软金属（如Cu）的热膨胀系数都很大，而膨胀系数小的金属（如W、Mo）的σs、E均较大。通过有限元计算和拉伸试验的结果，说明用软金属Cu作中间层比用低热膨胀系的W、Mo作中间层的降低热应力效果好，而且所得接头的抗拉强度高。如同时采用这两类材料的复合中间层则效果更好。

         工程陶瓷在焊接件的可靠性评定也是一个很重要的问题因为工程陶瓷是脆性材料，因此一旦含有焊接微裂纹或内应力水平过高时，使用过程中发生脆性断裂将是非常危险的。焊接陶瓷为避免热应力，焊前必须预热。采用钨丝小电炉加热，钨丝直径0.7mm，A12O3炉管，用Mo片作隔热反射屏。最大加热电压55~65V，电流17~20A，预热温度700~1800℃。将预热电阻炉放入电子束焊机真空室的支架上。将清洗干净的焊件，夹在无级调速的可移动和旋转的载物台上，并置于电阻炉的炉膛内。当真空度＜0.013Pa，预热温度＞1500℃时，使焊件自动地平稳旋转，工程陶瓷开始焊接。高压22kV，先用小电流1~2A的电子束散焦打在金属件上，否则易引起焊接陶瓷件微裂。约经过4~5min，然后电子束更散焦，使其部分打在工程陶瓷上，再逐渐增大电子束电流6~10A。此时，电子束功率密度为6.6~11×105W/cm2，温度约2000℃，能使焊接陶瓷与金属局部熔融，形成金属陶瓷结合层，在5~8s之内，焊接即告结束，并缓慢地将束电流降至零位。冷却时，电阻炉亦要缓慢降温，以免瓷件开裂。陶瓷与陶瓷，也可用上述类似的工艺进行焊接。

         工程陶瓷几种焊接方法的比较

         根据前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相扩散焊和钎焊较适合于陶瓷的焊接，并且得到了应用，如汽车发动机的陶瓷增压器和陶瓷挺柱等都是用扩散焊和钎焊焊接的陶瓷与金属的复合件。钎焊陶瓷除了活性钎料法外，还有一种与常规钎料配合应用的陶瓷表面金属化法。这种方法发展较早，主要用于电子管的封接。它的缺点是工艺相当复杂。固相扩散焊的最大优点是避免了金属对陶瓷的润湿问题。但它要求整个焊接界面必须保持紧密接触，因此对界面的加工精度要求很高，不适宜于大面积和复杂界西的焊接。钎焊主要受润湿性的限制很大，但它对焊接面精度的要求较低，适合大面积和复杂界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了扩散焊外还有摩擦焊和微波焊等，但这些方法都不成熟，且存在很多缺点，例如摩擦焊是在瞬时内施加很大的压力通过大变形量来达到结合的，这对硬脆的陶瓷材料很难达到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特点来进行加热和扩散连接，因此不适用于自由和金属的焊接。

         工程陶瓷发展前景

         关于工程陶瓷焊接的研究数量很多，目前除对一些理论问题，如界面反应、内应力数值模拟等须进一步深入研究外，拟将重点放在实用化方面。其中主要问题为：

         1）为充分发挥工程陶瓷耐高温的特性，必须解决接头的高温性能。

         2）目前的工程陶瓷试验都是采用小试样，内应力问题不很突出，在大面积和复杂零件的焊接时，陶瓷前开裂和低应力破坏是一个严重问题，必须进步研究降低内应力的办法。

         3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中进行，效率低、成本高，必须研究非真空的高效低成本焊接方法。

         其中1）、2）两个问题是关键，而且二者密切相关，又相互矛盾。从提高接头使用温度出发应采用高温钎料和耐高温的中间层，这是目前普遍采用的办法，但带来了很大的负面作用，即提高了焊接内应力。从降低内应力出发，应尽量降低焊接温度，采用低温钎料和软金属的中间层，但限制了接头的使用温度。为解决好这对矛盾，必须研究能在低温焊接，高温使用的特殊材料和特殊工艺。工程陶瓷低熔点过渡液相扩散焊或低熔点钎料的扩散钎焊都是很有吸引力的解决办法；另外，可以采用陶瓷与金属的高温梯度材料来解决高温焊接时的接头内应力问题以及采用非晶态钎料或中间层来降低钎焊温度和扩散焊温度。