维普资讯 http://www.cqvip.com 。 专题综述・缛掳 陶瓷／金属钎焊与扩散连接的研究现状 山东大学材料液态结构及遗传性教育部重点实验室（济南市２５００６１） 黄万群王摘要李亚江 沈孝芹 娟工程陶瓷由于具有优异的综合性能，在许多领域得到广泛应用，但其加工性能差，通常需要与金属组成 复合结构。实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键，钎焊和扩散连接被认为是陶瓷／金属连 接中较为适合的方法。文中对近年来国内外陶瓷／金属钎焊和扩散连接技术领域的研究现状进行了综述，认为活 性金属钎焊和部分瞬间液相连接发展比较成熟，部分瞬间液相连接充分结合了活性钎焊和固相扩散连接两者的优 点，将成为未来陶瓷／金属连接的发展方向。 关键词：陶瓷／金属扩散连接钎焊 中图分类号：ＴＧ４５６．９ ０前 言 进行钎焊。目前对这种方法研究较多，其重点主要集 中在改善钎料的润湿能力以及接头性能上 Ｊ。 工程陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨性、 抗腐蚀等许多优良的性能，在冶金、宇航、能源、机械、 光学等领域有着重要应用［１．２］。但其Ｊｍ－ｒ＿性能差，延展 性和冲击韧性低，耐热冲击能力弱，制造大而复杂的零 件较为困难，这在很大程度上限制了陶瓷材料在工程 中国科学院金属研究所冼爱平等人 ・’］采用ｓｎ基 活性钎料钎焊陶瓷／金属时，发现了润湿前驱膜，薄膜 的形成与钎料中活性金属的种类、陶瓷、钎料中的第三 种元素和润湿温度有关。 ’ Ｇ．Ｂｌｕｇａｎ和Ｊ．Ｊａｎｃｚａｋ—Ｒｕｓｃｈ等人 采用双层钎 料（ＣｕＳｎＴｉＺｒ和ＩｎＣｕＡｇ）对Ｓｉ３ Ｎ４／ＴｉＮ与ＡＩＳＩ３３ １０ （１４ＮｉＣｒｌ４）进行了钎焊研究。研究发现，四点弯曲强 度明显改善，原因是双层钎料的应用抑制有害反应的 发生，从而避免生成脆性相。 中的应用［３］。陶瓷如果与金属组合形成复合结构，既 可以充分发挥陶瓷的性能特点，又可以利用金属所具 有的韧性，使二者优势互补。因此，实现陶瓷与金属之 间的可靠连接是陶瓷材料发挥作用的关键。 近２０年来，国内外对结构陶瓷的连接进行了大量 的研究，并取得了不少研究成果，相继出现了多种连接 目前，钎焊技术的研究已经过渡到数字化、模拟化 阶段，精密控制和钎焊机理的研究越来越成为关注的 焦点。’ 方法，其中钎焊和扩散焊被认为是陶瓷／金属连接较为 适合的方法 Ｊ。 １ 研究现状 １．１ 钎 焊 １．２扩散连接 前苏联Ｋａｚａｋｏｖ于２０世纪５０年代中期提出扩散 焊技术。此后相继出现了固相扩散连接（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、瞬间液相连接（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ，简称ＴＩＪＰ连接）和部分瞬间液相连接 （Ｐａｒｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ，简称ＶＩＬＰ连接）。 １．２．１固相扩散连接 ２０世纪８０年代末，新型陶瓷结构材料迅速崛起， 其钎焊问题也引起了人们广泛关注，陶瓷材料的钎焊 也是目前真空钎焊领域最热门的研究课题之一 Ｊ。 陶瓷的钎焊方法主要有两种：一种方法是使陶瓷 表面金属化，然后再用常规钎料钎焊。该方法工艺复 固相扩散连接最初用于连接异种材料，目前也是 连接陶瓷材料的最常用方法之一。固相扩散连接是依 靠界面原子迁移的固态工艺过程，在一定时间、温度及 杂，在一定程度上使其发展受到限制。另一种方法是 用含有活性元素Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ的钎料在真空中直接对陶瓷 收稿日期：２００７～０ｌ—ｌ９ 基金项目：国家自然科学基金（５０３７５０８８）；山东省优秀中青年基金 （２００６ＢＳ０４００４） 压力下实现结合，待连接表面必须光滑（Ｒ。＜０．４ Ｉｘｍ） 洁净，一般情况下扩散连接温度为（０．５～０．９） （ 为材料的熔点，异种材料连接时， 为低熔点材料的熔 点）。由于材料的热膨胀不匹配及冶金不相容，很难实 ２００７年第４期 ｌｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com 俘掳专题综述 现直接扩散连接，通常采用中间层（或复合中间层）。 固相扩散连接一般在真空或惰性气体中进行，特殊情 况下在空气中也能实现可靠连接。 目前，陶瓷／金属的固相扩散连接的研究主要集中在 工艺参数（连接温度、连接压力、保温时间、中间层的确 和１ ０７３ Ｋ的剪切强度分别为１４２ ＭＰａ和６１ ＭＰａ。 陈铮等人［１ 用ＦｅＮｉ合金代替Ｔｉ箔，采用非活性 金属中间层ＦｅＮｉ／Ｃｕ在高、低真空条件下进行了Ｓｉ Ｎ 陶瓷与Ｎｉ的扩散连接，在高真空和低真空条件下均能 获得高强度连接，连接界面没有形成Ｎｉ—ｓｉ化合物反 应层，连接时间对接头强度的影响不明显，上述特征与 采用活性金属中间层Ｔｉ／Ｃｕ的扩散连接时的情况截然 定）的优化选择、相结构分析及接头组织性能等几个方面。 哈尔滨工业大学刘会杰和冯吉才等人＿９＇ｍ 进行了 ＳｉＣ陶瓷与ＴｉＡＩ基合金（ＴＡＤ）的真空扩散连接的研 究，ＳｉＣ与Ｔｉ 扩散连接中生成了ＴｉＡＩ２，ＴｉＣ和 Ｔｉ Ｓｉ Ｃ 三种新相，接头的界面结构为ＳｉＣ／ＴｉＣ（ＴｉＣ＋ Ｔｉ Ｓｉ３Ｃ ）／（Ｔｉ ２＋ＴｉＡＩ）／ＴｉＡＩ。当连接时间较短时， 接头强度较高，如室温时为２４０ ＭＰａ，高温（９７３ Ｋ）时 为２３０ ＭＰａ，接头在（Ｔｉ Ｓｉ３Ｃ ＋ＴｉＣ）／ＴＡＤ界面处断 裂。随着连接时间的增加，接头强度降低，接头的断裂 路径也由靠近ＴＡＤ的界面（Ｔｉ Ｓｉ Ｃ ＋ＴｉＣ）／ＴＡＤ转向 靠近ＳｉＣ的ＴｉＣ层内。 固相扩散连接温度高、压力大、时间长（甚至达几 小时），并且接头耐热温度不高，为克服上述问题，瞬间 液相（Ｔｉａ＇）连接近年来得到发展。 １．２．２瞬间液相连接（ＴＬＰ连接） ２０世纪７０年代，瞬间液相连接（ＴＬＰ连接）方法被 提出。从此以后，研究日趋深入。 瞬间液相连接（ＴＬＰ连接）是介于熔焊和压焊之间 的一种焊接方法。ＴＬＰ连接是用一种特殊成分、熔化 温度较低的薄层中间层合金作为连接合金，放置在焊 接面之间，施加小的压力或不施加压力，并在真空条件 下加热到中间层合金熔化，液态的中间层合金润湿母 材，在焊接面间形成均匀的液态薄膜，经过一定的保温 时间，中间层合金与母材之间发生扩散，合金元素趋向 于平衡，熔点升高达到扩散焊加热温度而进一步扩散， 形成牢固的连接¨ 。 ＴＬＰ连接所用的中间层合金是关系到焊接成败的 重要因素。中间层合金的成分应保证瞬间液相连接工 艺过程顺利进行，即应有合适的熔化温度（大约为母材 熔点 的０．８～０．９倍），又应能使接头区在连接温度 下达到等温凝固；接头的组织与母材相近，不产生新的 有害相。中间层合金成分还应保证接头性能与母材相 近，达到使用要求¨ 。 清华大学邹贵生、吴爱萍、任家烈等人采用Ｔｉ／Ｎｉ／ Ｔｉ复合层ＴＩＪＰ连接Ｓｉ Ｎ 陶瓷［１引。连接参数为：连接 时间６０ ｍｉｎ，连接温度１ ３２３ Ｋ，连接压力２．５ ＭＰａ，Ｔｉ 层厚度为２０ ｐａｎ，Ｎｉ层厚度为４Ｏ０ ｍ，所得接头室温 １２ ２００７年第４期 不同。 ＴＬＰ连接在一定程度上克服了固相扩散连接的不 足，连接温度降低，连接时间缩短，但其连接件耐高温 能力弱。 １．２．３部分瞬间液相连接（ＰＴＬＰ连接） ２０世纪９０年代初期，日本Ｙ．１ｉｎｏ和Ｎ．Ｔａｇｕｃｈｉ提 出了陶瓷的部分瞬间液相连接（Ｐ１’ＩＪＰ连接）方法。在 此之后，ＰＴＬＰ连接成为焊接领域的研究热点。 Ｐ１’ＩＪＰ连接是从传统的ＴＬＰ连接发展而来的，部分 瞬间液相连接（Ｐ１’ＩＪＰ连接）和瞬间液相连接（ＴＬＰ连 接）的根本区别在于¨ ：Ｐ１’ＩＪＰ连接时，液相只在中间层 的局部形成以润湿陶瓷，而ＴＬＰ连接时，中间层全部熔 化，通过中间层和母材之间的相互扩散形成接头，其性 能几乎和母材相同。 Ｐ１’ＩＪＰ连接属于低温连接工艺，但能产生耐高温接 头。Ｐ１’ＩＪＰ连接使用复合中间层，芯部为较厚的高熔点 金属，外层为较薄的低熔点金属。连接温度所形成的 液相，或为外层低熔点金属熔化产生，或为内外层金属 共晶反应产生。与钎焊相似，陶瓷／金属的界面成形温 度相对较低。然而，在连接温度下芯部仍为固相，液相 润湿固体陶瓷表面，并和芯部中间层金属相互扩散，通 过再凝固而转变成更耐高温的固体。最终，形成均匀 且耐高温的结合界面，其工艺与固相扩散连接相似［１ 。 山东大学李亚江、王娟等人［１ 采用Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉ复合 中间层，实现了陶瓷基复合材料ＴｉＣ—ＡＩ Ｏ 与高速钢 Ｗ １８Ｃｒ４Ｖ的真空扩散连接，形成均匀致密、宽度为９０ ｍ的扩散过渡区，接头相结构主要有Ｔｉ ＡＩ、ＣｕＴｉ 、Ｃｕ 和ＴｉＣ，接头抗剪强度超过１００ ＭＰａ。 陈铮等人［１’ 用Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ作中间层，在Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ作 中间层进行Ｓｉ，Ｎ 陶瓷Ｐ１’ＩＪＰ连接的基础上，进行了 Ｓｉ，Ｎ 陶瓷的二次Ｐ１’ＩＪＰ连接，认为二次Ｐ１’ＩＪＰ连接能避 免脆性Ｎｉ—Ｔｉ化合物层的形成，提高连接接头的强度。 邹家生等人＿ｌ副在此基础上进行了进一步的研究，并取 得了一定成果。 Ｐ１’ＩＪＰ连接参数选择的难点在于，必须同时保证连 维普资讯 http://www.cqvip.com ． ． 专题综述・鳄搭 接强度和尽可能地提高连接区材料的熔点，以提高连 接接头的高温强度。Ｐ１’ＬＰ连接可以在较低的连接温 度、较短的连接时间、以及较小的连接压力下获得陶瓷 ／金属耐高温接头的连接。 ２存在的问题 同一般金属相比，陶瓷材料的晶体结构复杂而表 面能小，因此其强度、硬度、弹性模量、耐磨性和耐热性 比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性以及使 用可靠性等不如金属材料【１］。实现陶瓷／金属的可靠 连接，才能充分发挥它们的优异性能并可起到优势互 补作用。但陶瓷与金属之间物化性能的显著差异给二 者的连接造成很大困难，通过一大批科研工作者几十 年不懈地努力，当前，陶瓷与金属的连接取得了重大进 展，相继开发出了多种连接方法，其中直接钎焊、扩散 焊方法比较成熟、应用较多。但仍存在很多需要迫切 解决的问题：陶瓷连接接头的强度及耐热温度与使用 要求相比仍有很大距离，陶瓷和金属很难润湿，界面存 在很大的热应力，容易生成脆性化合物，界面化合物很 难进行定量分析，缺少数值模拟的基本数据，接头强度 的影响因素、质量控制方法及可靠性评价缺乏系统研 究。 ３结 语 近年来，国内外对陶瓷／金属的连接进行了大量的 研究。相继出现了多种连接方法，其中钎焊和扩散连 接发展较快，并在生产实际中得到成功应用，被公认为 是目前陶瓷／金属连接较为适合的方法。部分瞬间液 相连接充分结合了活性钎焊和固相扩散连接两者的优 点，能够在比常规连接方法低得多的温度下制备耐热 接头，将成为未来陶瓷／金属连接的发展方向。 参考文献 中国机械工程学会，中国材料研究学会等．中国材料工 程大典（第２３卷，材料焊接工程）［Ｍ］．北京：化学工 业出版社，２００６．３２６—３３４． ［２］ 任家烈，吴爱萍．先进材料的连接［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２０００．１２０—１７３． ［３］ 李亚江．特殊及难焊材料的焊接［Ｍ］．北京：化学工业 出版社，２００４．２０４—２２４． ［４］Ｄｉｌｅｒｍａｎｄｏ Ｔ，Ｍａｕｒｉｚｉｏ Ｆ，Ｇｅｒｔ Ｄ Ｏ．Ｄｉｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ ａ． １ｕｍｉｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ｔｏ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｆ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２（３３７Ａ）： ２８７—２９６． ［５］ 李晓红，毛伟．新型结构材料真空钎焊技术［Ａ］．第 八次全国焊接会议论文集（第１册）［Ｃ］，１９９７，Ｈ—Ｉａ —ＯＯ４—９７，２６１—２６３． ［６］ 冼爱平．第三组元在金属／陶瓷界面化学润湿中的作用 ［Ｊ］．中国科学（Ａ辑），１９９４，２４（３）：３２３—３２９． ［７］ 庄艳歆，冼爱平，王义康，等．粗真空条件下锡基钎料 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