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(tǒng)材料不具備的優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)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(jī)械配套需要耐高溫、耐磨的場合，如航天工業(yè)高速摩擦件、各種密封件、 泵和壓縮機(jī)的柱塞和缸套、高級(jí)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(jī)械強(qiáng)度、韌性好、較能耐高溫、導(dǎo)電傳熱性好，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程中關(guān)鍵零部件和一切重工業(yè)中的大型構(gòu)件，在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)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(fā)揮，如將 CC 與 TiAl 連接起來應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中的熱端部件，如制成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管構(gòu)件等，可以大大減輕構(gòu)件重量，提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。因而，研究陶瓷和金屬兩種材料簡便、高效、節(jié)能的連接方法很有工業(yè)應(yīng)用前景。

2、陶瓷與金屬連接特點(diǎn)

      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(gè)整體。由于陶瓷和金屬在物理性質(zhì)、化學(xué)鍵型、力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)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(shù)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(shí)，由于接頭處很容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使接頭的力學(xué)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(dǎo)率，加熱時(shí)很容易產(chǎn)生裂紋，所以應(yīng)該控制加熱和冷卻速度并減小焊接區(qū)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(duì)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(jìn)其破碎或分解；

      改善冶金反應(yīng)，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(yōu) 化接頭顯微結(jié)構(gòu)從而提高接頭強(qiáng)度；

      可以降低焊接溫度、減少擴(kuò)散焊接時(shí)間，從而控制接頭應(yīng)力、提高接頭強(qiáng)度；

      減小金屬和陶瓷間因力作用，改善因膨脹系數(shù)不同造成的變形。

實(shí)驗(yàn)表明，添加不同厚度的中間層對(duì)接頭強(qiáng)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(jī)械連接、熔化焊、釬焊、固相擴(kuò)散連接、自蔓延高溫合成連接、瞬時(shí)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(yīng)用于飛機(jī)的應(yīng)急修理、炮彈與導(dǎo)彈的輔助件連接、渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的修復(fù)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(yīng)力且工藝簡單、效率高，但接頭強(qiáng)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(jī)械連接

      機(jī)械連接是一種借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的連接方法，有螺栓連接和熱套連接兩種。機(jī)械連接由于方便已經(jīng)在部分增壓轉(zhuǎn)子與金屬的連接中應(yīng)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(yīng)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(diǎn)比母材低的材料做釬料，加熱到略高于釬料熔點(diǎn)的溫度，利用熔化的液態(tài)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(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。包括直接釬焊和間接釬焊。

固相擴(kuò)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(fā)生塑性變形，通過原子間的互擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)層，實(shí)現(xiàn)可靠連接。按連接方式，可 分為直接擴(kuò)散連接和間接擴(kuò)散連接。固相擴(kuò)散連接適用于各種陶瓷與金屬的連接，相對(duì)于釬焊連接，其具有連接強(qiáng)度高，接頭質(zhì)量穩(wěn)定、耐腐蝕性能好，可實(shí)現(xiàn)大面 積連接，且接頭不存在低熔點(diǎn)釬料金屬或合金，能夠獲得耐高溫接頭等優(yōu)點(diǎn)。

熔化焊

      采用高能束具有加熱和冷卻速度快的優(yōu)點(diǎn)，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(wěn)定的接頭，但是需要對(duì)被連接材料進(jìn)行預(yù)熱和緩冷，而且陶瓷與金屬組配相對(duì)困難，連接工藝參數(shù)難以控制，設(shè)備造價(jià)昂貴。

瞬時(shí)液相連接

      簡稱為 TLP 連接或液相擴(kuò)散焊，是在真空條件下，施加較小或不施加壓力，當(dāng)溫度達(dá)到中間層熔點(diǎn)或中間層與母材元素通過互擴(kuò)散形成低熔共晶產(chǎn)物時(shí)，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(kuò)散及母材中高熔點(diǎn)元素向液相中溶解，使液相層熔點(diǎn)不斷升高，并在等溫條件下凝固，最后經(jīng)過均勻化形成致密接頭。瞬時(shí)液相連接綜合了釬焊和固相擴(kuò)散焊的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用在金屬間化合物、先進(jìn)陶瓷、耐熱耐蝕超合金、單晶合金等多種先進(jìn)材料的連接。

自蔓延高溫合成（SHS）連接

      在陶瓷和金屬之間預(yù)置高溫焊料，點(diǎn)燃焊料產(chǎn)生短時(shí)間高溫燃燒，以SHS反應(yīng)放出的熱為高溫?zé)嵩?，以SHS產(chǎn)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(yīng)時(shí)間短，能顯著地減少連接時(shí)間，但是反應(yīng)速度太快，焊料燃燒時(shí)間難于控制，從而也就使界面反應(yīng)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(kuò)散連接以及瞬時(shí)液相連接等方法。

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