工程陶瓷的發(fā)展背景和焊接工藝

         工程陶瓷發(fā)展背景

         隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)生了根本性的變化，從傳統(tǒng)的生活用陶瓷發(fā)展成為具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷在電子信息技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用；同時由于工程陶瓷獨特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能而使其成為發(fā)展陶瓷發(fā)動機、磁流體發(fā)電及核反應(yīng)裝置等高科技產(chǎn)品的重要材料，但是工程陶瓷嚴(yán)重的脆性而使其無法做成復(fù)雜的和承受沖擊載荷的零件。因此工程陶瓷必須采取連接技術(shù)來制造復(fù)雜的陶瓷件以及陶瓷和金屬的復(fù)合件。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問題。早在本世紀(jì)30年代，在電子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金屬的封接技術(shù)，這實際上應(yīng)是一種用密封管子的釬焊。但它以達(dá)到密封為主要目的，因此該技術(shù)并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬復(fù)合件的焊接。近二十多年來隨著工程陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用，如汽車工業(yè)中陶瓷發(fā)動機的研究和開發(fā)，大大地推動了工程陶瓷焊接技術(shù)的發(fā)展。我國在50年代末開始研究電子管制造中的陶瓷-金屬封接技術(shù)，但作為工程上應(yīng)用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應(yīng)絕熱或無冷發(fā)動機研制的需要而發(fā)展起來的，并已取得了較大的進(jìn)展。

         工程陶瓷技術(shù)關(guān)鍵

         不論陶瓷與金屬焊接，還是用金屬填充材料焊接陶瓷與陶瓷時都存在陶瓷/金屬界面的結(jié)合問題。由于陶瓷與金屬在電子結(jié)隊晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)性能等方面存在著明顯的差別，因此要實現(xiàn)陶瓷/金屬界面的冶金結(jié)合是非常困難的；用常規(guī)的焊接材料和工藝幾乎無法獲得可靠的連接，尤其是熔化焊。因為一些工程陶瓷（如SiC、Si3N4、BN）在熔化前就升華或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化時迅速蒸發(fā)，其他能熔化的陶瓷，也很難與金屬熔合在一起形成組織和性能滿意的接頭。到目前只有個別用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的報道，如用電子束將Mo、Nb、W或可伐合金絲熔合到Al2O3絕緣體上以及用激光焊接Al2O3等?，F(xiàn)有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進(jìn)行的，如研究得最多的釬焊與擴散焊。用這些方法焊接陶瓷時的關(guān)鍵問題為：

         （1）工程陶瓷界面反應(yīng)問題無論是擴散焊還是釬焊，陶瓷/金屬界面的結(jié)合機制都屬于化學(xué)結(jié)合。陶瓷釬焊時釬料熔化后能否與陶瓷潤濕也取決于界面反應(yīng)；

         工程陶瓷沒有界面反應(yīng)就不能潤濕，不能結(jié)合。因此，釬焊時陶瓷/金屬的界面反應(yīng)不僅是產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合的必要條件，而且也是潤濕陶瓷的先決條件。例如用常規(guī)的Ag-Cu釬料釬焊Si3N4時，既不潤濕又不結(jié)合；

         工程陶瓷用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti釬料釬焊時，潤濕和結(jié)合都很好。根據(jù)熱力學(xué)條件，工程陶瓷活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應(yīng)的自由能變化ΔG0為準(zhǔn)則。在擴散焊時為獲得好的界面結(jié)合，金屬也必須對陶瓷具有活性，例如Si3N4與Al的焊接；若金屬的活性很差時，須采用加活性中間層的辦法。

         （2）工程陶瓷界面兩側(cè)的熱-力學(xué)的匹配問題由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，降低了接頭的斷裂強度。甚至開裂。目前主要的解決辦法是在陶瓷和金屬之間加中間層。作為中間層的金屬有兩類：①熱膨脹系數(shù)小的金屬；②屈服點σs和彈性模量E低的軟金屬。但通常二者是相互矛盾的。軟金屬（如Cu）的熱膨脹系數(shù)都很大，而膨脹系數(shù)小的金屬（如W、Mo）的σs、E均較大。通過有限元計算和拉伸試驗的結(jié)果，說明用軟金屬Cu作中間層比用低熱膨脹系的W、Mo作中間層的降低熱應(yīng)力效果好，而且所得接頭的抗拉強度高。如同時采用這兩類材料的復(fù)合中間層則效果更好。

         工程陶瓷在焊接件的可靠性評定也是一個很重要的問題因為工程陶瓷是脆性材料，因此一旦含有焊接微裂紋或內(nèi)應(yīng)力水平過高時，使用過程中發(fā)生脆性斷裂將是非常危險的。焊接陶瓷為避免熱應(yīng)力，焊前必須預(yù)熱。采用鎢絲小電爐加熱，鎢絲直徑0.7mm，A12O3爐管，用Mo片作隔熱反射屏。最大加熱電壓55~65V，電流17~20A，預(yù)熱溫度700~1800℃。將預(yù)熱電阻爐放入電子束焊機真空室的支架上。將清洗干凈的焊件，夾在無級調(diào)速的可移動和旋轉(zhuǎn)的載物臺上，并置于電阻爐的爐膛內(nèi)。當(dāng)真空度＜0.013Pa，預(yù)熱溫度＞1500℃時，使焊件自動地平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，工程陶瓷開始焊接。高壓22kV，先用小電流1~2A的電子束散焦打在金屬件上，否則易引起焊接陶瓷件微裂。約經(jīng)過4~5min，然后電子束更散焦，使其部分打在工程陶瓷上，再逐漸增大電子束電流6~10A。此時，電子束功率密度為6.6~11×105W/cm2，溫度約2000℃，能使焊接陶瓷與金屬局部熔融，形成金屬陶瓷結(jié)合層，在5~8s之內(nèi)，焊接即告結(jié)束，并緩慢地將束電流降至零位。冷卻時，電阻爐亦要緩慢降溫，以免瓷件開裂。陶瓷與陶瓷，也可用上述類似的工藝進(jìn)行焊接。

         工程陶瓷幾種焊接方法的比較

         根據(jù)前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相擴散焊和釬焊較適合于陶瓷的焊接，并且得到了應(yīng)用，如汽車發(fā)動機的陶瓷增壓器和陶瓷挺柱等都是用擴散焊和釬焊焊接的陶瓷與金屬的復(fù)合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規(guī)釬料配合應(yīng)用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發(fā)展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點是工藝相當(dāng)復(fù)雜。固相擴散焊的最大優(yōu)點是避免了金屬對陶瓷的潤濕問題。但它要求整個焊接界面必須保持緊密接觸，因此對界面的加工精度要求很高，不適宜于大面積和復(fù)雜界西的焊接。釬焊主要受潤濕性的限制很大，但它對焊接面精度的要求較低，適合大面積和復(fù)雜界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了擴散焊外還有摩擦焊和微波焊等，但這些方法都不成熟，且存在很多缺點，例如摩擦焊是在瞬時內(nèi)施加很大的壓力通過大變形量來達(dá)到結(jié)合的，這對硬脆的陶瓷材料很難達(dá)到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點來進(jìn)行加熱和擴散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。

         工程陶瓷發(fā)展前景

         關(guān)于工程陶瓷焊接的研究數(shù)量很多，目前除對一些理論問題，如界面反應(yīng)、內(nèi)應(yīng)力數(shù)值模擬等須進(jìn)一步深入研究外，擬將重點放在實用化方面。其中主要問題為：

         1）為充分發(fā)揮工程陶瓷耐高溫的特性，必須解決接頭的高溫性能。

         2）目前的工程陶瓷試驗都是采用小試樣，內(nèi)應(yīng)力問題不很突出，在大面積和復(fù)雜零件的焊接時，陶瓷前開裂和低應(yīng)力破壞是一個嚴(yán)重問題，必須進(jìn)步研究降低內(nèi)應(yīng)力的辦法。

         3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進(jìn)行，效率低、成本高，必須研究非真空的高效低成本焊接方法。

         其中1）、2）兩個問題是關(guān)鍵，而且二者密切相關(guān)，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發(fā)應(yīng)采用高溫釬料和耐高溫的中間層，這是目前普遍采用的辦法，但帶來了很大的負(fù)面作用，即提高了焊接內(nèi)應(yīng)力。從降低內(nèi)應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)盡量降低焊接溫度，采用低溫釬料和軟金屬的中間層，但限制了接頭的使用溫度。為解決好這對矛盾，必須研究能在低溫焊接，高溫使用的特殊材料和特殊工藝。工程陶瓷低熔點過渡液相擴散焊或低熔點釬料的擴散釬焊都是很有吸引力的解決辦法；另外，可以采用陶瓷與金屬的高溫梯度材料來解決高溫焊接時的接頭內(nèi)應(yīng)力問題以及采用非晶態(tài)釬料或中間層來降低釬焊溫度和擴散焊溫度。