2016-11-28 摘自：材易通

1、為何要將陶瓷與金屬連接在一起

      陶瓷材料具有許多傳統材料不具備的優點。陶瓷材料主要有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼等，材料的性能特點主要是硬度高、耐高溫、耐磨、大部分材料絕熱絕緣性好、比重小于鋼鐵，主要用于工程機械配套需要耐高溫、耐磨的場合，如航天工業高速摩擦件、各種密封件、 泵和壓縮機的柱塞和缸套、高級軸承等。

      但是陶瓷材料脆、不耐沖擊、抗拉及抗彎曲較差，而金屬材一般有很高的機械強度、韌性好、較能耐高溫、導電傳熱性好，廣泛應用于機械工程中關鍵零部件和一切重工業中的大型構件，在工業生產中有廣泛的應用。

      陶瓷和金屬材料的連接，可以很好地使兩種材料的性能得到更好的發揮，如將 CC 與 TiAl 連接起來應用在航空航天領域中的熱端部件，如制成火箭發動機噴管構件等，可以大大減輕構件重量，提高火箭發動機推重比。因而，研究陶瓷和金屬兩種材料簡便、高效、節能的連接方法很有工業應用前景。

2、陶瓷與金屬連接特點

      金屬和陶瓷是兩類完全不同的材料。它是把兩種材料性能差異很大的零件采用合適的工藝過程連接成為一個整體。由于陶瓷和金屬在物理性質、化學鍵型、力學性質和微觀結構等方面差異很大，使用一般的方法是很難按照需求把它們連接到一起的。

      陶瓷與金屬連接過程中，絕大多數金屬與陶瓷存在較大的熱失配，在加熱過程中連接陶瓷與金屬時，由于接頭處很容易產生殘余應力，使接頭的力學性能被削弱；熔 化的金屬很難潤濕陶瓷；陶瓷耐熱沖擊力弱，有較低的熱導率，加熱時很容易產生裂紋，所以應該控制加熱和冷卻速度并減小焊接區域的溫度梯度。

      金屬和陶瓷的焊接屬于異種材料的焊接，一般需要添加中間層，中間層的使用對焊接接頭性能影響很大。焊接中間層在金屬和陶瓷的連接連接中的主要作用包括：

      改善母材表面接觸，潤濕母材；

      可以抑制夾雜物的形成，促進其破碎或分解；

      改善冶金反應，避免或者減少形成脆性金屬間化合物和有害的共晶組織，優 化接頭顯微結構從而提高接頭強度；

      可以降低焊接溫度、減少擴散焊接時間，從而控制接頭應力、提高接頭強度；

      減小金屬和陶瓷間因力作用，改善因膨脹系數不同造成的變形。

實驗表明，添加不同厚度的中間層對接頭強度的影響不同。

3、陶瓷與金屬的連接方法

      陶瓷與金屬的連接方法主要有：粘合劑粘接、機械連接、熔化焊、釬焊、固相擴散連接、自蔓延高溫合成連接、瞬時液相連接等連接方法。

粘合劑粘接

      利用膠粘劑將陶瓷與金屬連接在一起，主要應用于飛機的應急修理、炮彈與導彈的輔助件連接、渦輪和壓縮機轉子的修復等處。盡管粘接連接可以一定程度緩解陶瓷 與金屬間的熱應力且工藝簡單、效率高，但接頭強度通常小于100MPa，使用溫度一般低于200℃，大多用于靜載荷和超低靜載荷零件。

機械連接

      機械連接是一種借助結構設計的連接方法，有螺栓連接和熱套連接兩種。機械連接由于方便已經在部分增壓轉子與金屬的連接中應用。熱套連接獲得的接頭具有一定的氣密性，但僅限于低溫使用，且這種接頭具有較大的殘余應力。

釬焊連接

      釬焊是最常用的連接陶瓷與金屬的方法之一，它是以熔點比母材低的材料做釬料，加熱到略高于釬料熔點的溫度，利用熔化的液態釬料潤濕被連接材料表面，從而填充接頭間隙，通過母材與釬料間元素的互擴散實現連接。包括直接釬焊和間接釬焊。

固相擴散連接

      將被連接材料置于真空或惰性氣氛中，使其在高溫和壓力作用下局部發生塑性變形，通過原子間的互擴散或化學反應形成反應層，實現可靠連接。按連接方式，可 分為直接擴散連接和間接擴散連接。固相擴散連接適用于各種陶瓷與金屬的連接，相對于釬焊連接，其具有連接強度高，接頭質量穩定、耐腐蝕性能好，可實現大面 積連接，且接頭不存在低熔點釬料金屬或合金，能夠獲得耐高溫接頭等優點。

熔化焊

      采用高能束具有加熱和冷卻速度快的優點，能在陶瓷不熔化的條件下使金屬熔化，形成連接。熔化焊連接陶瓷和金屬主要包括激光焊和電子束焊接。此法能獲得高溫 下穩定的接頭，但是需要對被連接材料進行預熱和緩冷，而且陶瓷與金屬組配相對困難，連接工藝參數難以控制，設備造價昂貴。

瞬時液相連接

      簡稱為 TLP 連接或液相擴散焊，是在真空條件下，施加較小或不施加壓力，當溫度達到中間層熔點或中間層與母材元素通過互擴散形成低熔共晶產物時，在中間層與母材之間形成液相薄膜，通過中間層降熔元素向母材擴散及母材中高熔點元素向液相中溶解，使液相層熔點不斷升高，并在等溫條件下凝固，最后經過均勻化形成致密接頭。瞬時液相連接綜合了釬焊和固相擴散焊的優點，已經成功應用在金屬間化合物、先進陶瓷、耐熱耐蝕超合金、單晶合金等多種先進材料的連接。

自蔓延高溫合成（SHS）連接

      在陶瓷和金屬之間預置高溫焊料，點燃焊料產生短時間高溫燃燒，以SHS反應放出的熱為高溫熱源，以SHS產物為焊料，使陶瓷-金屬界面迅速融合，并快冷形成牢固的連接。SHS連接材料的配方、壓力、氣氛等均易于控制，反應時間短，能顯著地減少連接時間，但是反應速度太快，焊料燃燒時間難于控制，從而也就使界面反應難于控制。

      陶瓷與金屬的連接方法很多，目前被廣泛使用的仍然是釬焊、固相擴散連接以及瞬時液相連接等方法。

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