陶瓷_金属焊接研究的现状与分析

河　北　科　技　大　学　学　报

第22卷　　第2期

总第57期　2001年JOU RNAL O F H EBE IUN I V ER S IT Y O F SC IEN CE AND T ECHNOLO GY . 22　N o . 2V o l Sum 57　2001　　文章编号:100821542(2001) 0220035206

陶瓷2金属焊接研究的现状与分析

李淑华1, 李树堂2, 尹玉军1, 董丽红1

(11军械工程学院机械制造教研室, 河北石家庄　050003; 21, 黑

龙江大庆　163700)

摘　要:在先进的制造业中陶瓷2、陶瓷的性能互补, ,

、部分瞬间液相连接及自蔓延高温

关键词:; ; 焊接工艺

中图分类号:TB 333; T G 44　　文献标识码:A

近年来, 随着陶瓷材料的大规模研究开发, 陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注[1]。实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷的应用范围。但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料, 相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异, 特别是化学键差异较大, 采用常规的焊接方法不能实现有效连接[2]。因此, 陶瓷2金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点[3]。常用的陶瓷2金属的连接方法有3种:焊接连接、机械连接和粘接连接。焊接连接的特点是连接界面为扩散、物理力、化学键作用, 接头强度高, 有一定的气密性, 耐高温, 可靠性较高, 但其工艺成本高, 接头存在内应力。机械连接界面为机械力作用, 接头无气密性, 易产生应力集中。粘接连接界面为物理力、化学键作用。机械连接和化学连接工艺的使用范围很有限, 这两种工艺联合使用虽可以进一步增加接头强度并获得气密性接头, 但使用条件也较有限。一但考虑复杂受载条件、较高使用温度及可靠性因素时, 就只能选择陶瓷2金属的焊接连接工艺[4]。本文就陶瓷2金属的主要焊接方法及其焊接性研究作一综述。

1　熔　焊

氩弧焊(T IG , M IG ) 作为应用范围广、使用成本低的理想焊接方法应用于铝合金焊接, 取得了令人满意的焊接质量, 但应用于陶瓷2金属的连接, 目前尚未见报道。应用于铝基复合材料的焊接结果也很不理想。其原因是:由于增强相与基体铝合金物理性能特别是熔点相差悬殊, 给熔池温度控制带来困难; 在高温下容易引起基体增强相间的界面反应, 生成脆性化合物, 降低接头

收稿日期:2001201202; 责任编辑:卞铜身

作者简介:李淑华(19642) , 女, 吉林长春市人, 讲师, 硕士研究生。

36河北科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　2001年　使用性能[6, 7]; 大量固相增强相存在于熔融液态基体中, 使熔池的动力学状态与结晶方式变得复杂, 同时产生大量夹渣、气孔、孔穴等缺陷。

以上原因严重制约着熔焊方法在陶瓷2金属、复合材料中的应用。近几年来, 随着研究的深入, 人们提出了解决复合材料焊接的相应措施。例如, 从制造工艺上在纤维增强相表面添加一层覆盖层[8], 在焊接工艺上则采用降低熔池热输入, 同时添加一定的合金元素[9]; 对Si C 2A l 铝基复合材料焊前进行真空处理, 可明显减少焊缝中气孔、裂缝缺陷, 显著提高接头质量[9]。采用高能束激光焊方法, 利用高能束输入的特点, 快速加热和冷却, 配以氮气筛的冷却和温度场调节, 诱导和改善复合材料增强相和基体界面反应, 从而提高接头强度[10]。采用脉冲输入方式, 可抑制界面反应, 细化组织, 减少缺陷, 从而获得良好的接头, 但在操作时对激光的功率控制非常重要[8, 11, 12]。

熔焊在某种条件下能够制造高温下稳定的复合材料接头, 面的陶瓷2金属连接, 且设备投资昂贵。

2　钎　焊

利用陶瓷2, 其中的活性组元与陶瓷发生化学反应, 形成。陶瓷与金属的钎焊要比金属间的钎焊连接复杂得多, 。大多数钎料在接头上往往只形成球珠, 很少产生或根本不产生润湿。

文献[13]介绍在钎料中添加表面活性元素Si , M g , T i , 等, 可使其润湿性得到明显改善。T i ,

硅Zr , H f , Pd , 等过渡族或稀有金属元素具有较强的化学活性, 加至钎料中后在高温下对氧化物、

酸盐具有亲和性, 可和Cu , N i , A g , A u , 等一同制成陶瓷2金属焊接活性钎料。活性钎料在二界面处可以产生机械或化学结合。机械结合可以认为是钎料质粒嵌入或渗入陶瓷表层微孔区, 而化学结合强度归结于钎料和基体间的物质转移和反应。陶瓷界面上的反应会大大促进润湿性[14]。A g 2Cu 2T i 三元钎料系列, 对大多数工程陶瓷表面有润湿性, 在高温下伴随着液固界面的化学反应和传质扩散, 从而在界面形成固溶体相和新化合物相[14]。

活性钎焊中改善陶瓷2金属润湿性还可以采用提高润湿过程中的温度和使用涂层技术。液态金属的表面能像其他液体一样, 在一定范围内随温度升高而线性下降, 从而使金属2陶瓷的接触角随温度升高而降低[14]。陶瓷经涂层或表面处理可以提高表面活性, 用新形成的金属2陶瓷界面代替原来结合性不好的界面, 从而提高润湿性。

陶瓷2金属钎焊的另一个基本问题是:二者的热膨胀系数相差悬殊, 会引起界面残余应力, 可能导致接头在使用过程中开裂。在金属(GH 合金) 与陶瓷(Si 3N 4) 之间插入中间缓冲层(其中Cu ,

[4]T i 作为软缓冲层; W , M o 作为硬缓冲层) 的方法, 有效地降低了残余应力, 提高了接头强度。

活性金属钎焊的工艺特点是配置高真空或可控气氛设备, 接头质量好, 可靠性高, 易于实现规模化生产, 工艺流程易于控制。活性金属钎焊的难点在于钎料配置及减少界面应用力。活性钎焊的局限性在于活性钎料的低熔点特性很难保证钎焊接头的高温强度, 而高温活性钎料尚有待于进一步研究开发。

3　固相压力扩散焊

固相压力扩散焊是在一定的压力下陶瓷与金属紧密接触, 接触距离可以达到几埃到十几埃以内, 并在界面处形成金属键或化学键。如加上一定温度, 界面处的原子处于高度激活状态, 扩散

　第2期　　　　　　　　　李淑华等　陶瓷2金属焊接研究的现状与分析37迁移明显, 通过恢复、再结晶及晶界变化, 可使界面形成牢固的冶金结合接头。

固相压力扩散焊时, 连接温度、时间、压力及焊接表面状态是影响扩散焊接的主要因素。依据

R T 经典扩散理论, 扩散系数D 是温度的指数函数:D =D 0e -Q 。式中D 0为扩散系数, R 为气体常

数, Q 为扩散激活能, T 为扩散温度。扩散的经验公式为T =(0. 6～0. 9) T m , 其中T m 为组料中的最低熔化点。

压力能使表面微观凸起产生塑性变形, 起到使界面紧密接触、激活界面原子、加速扩散及弥合界面空洞的作用。加压时要考虑陶瓷2金属间的热应力及陶瓷的低塑性, 故目前研究都在陶瓷和金属间加入中间层。时间(t B ) =30m in 、压力A l 及其合金作中间层时, 连接温度(T B ) =600℃、

(P B ) =130M Pa , 固态扩散焊时接头质量比较理想[3]。

压力扩散焊机理类似于压力烧结机理, 即具有塑性变形、(、体积扩散、晶界扩散) 及蠕变强化等阶段, 化层及其他污染物, 接触面越大越好。

扩散焊接接头质量稳定, , 可焊接较大截面接头, , 对陶瓷材料无须表面金属化[4]。但工艺过程复杂, 对连接表面的加工和连接设备的要求高。, 导致构件的变形。

4　陶瓷部分瞬间液相连接

陶瓷部分瞬间液相连接(Partial T ran sien t L iqu id Phase Bonding , 以下简称PTL P 连接) 是为了解决陶瓷的活性钎焊和固相扩散连接中存在上述问题, 在金属瞬间液相连接(T ran sien t

“中间扩散层”技术连接陶瓷的基础上提出的, 由于陶瓷L iqu id Phase Bonding 简称TL P ) 以及用

部分瞬间液相连接(PTL P ) 兼有活性钎焊和固相扩散连接的优点, 继Y 1L ino 之后, 许多研究者也开展了这方面的工作, 研究日趋深入[15]。

在陶瓷的PTL P 连接中, 使用不均匀多层中间层(如B 2A 2B 的形式, 其中B 的厚度远小于A 的厚度) 。连接过程中, 通过B 的熔化或A 2B 界面反应, 仅在连接区紧邻陶瓷处形成局部液态合金, 起到类似于钎料的作用。然后通过液态

合金与陶瓷的界面反应以及与中间层核心

金属A 之间长时间的相互扩散, 使液相区

等温凝固和固相成分均匀化, 并使接头具

有固相扩散连接的耐热性。图1是PTL P

连接过程的示意图[15]其中液态合金由金

属B 的熔化形成。

PTL P 连接的特点是使用多层中间层

提供了一种用钎焊的方法获得具有扩散焊

接耐热接头的连接方法。与固相扩散焊相

比, PTL P 连接时形成的液态合金起到了

类似于钎料的作用。由于有液相参与, 加速

了连接过程, 降低了对连接表面加工精度

的要求, 能有效地消除固相连接中难以完图1　陶瓷PTL P 连接过程示意图F ig . 1　Schem atic sketch of ceram ic PTL P

38河北科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　2001年　全消除的界面空洞[15], 为陶瓷2金属的连接开辟了一个新途径。

5　自蔓延高温合成(SH S 2Self P rop agati on H igh 2tem p eratu re Syn thesis ) 焊接

氮化物等难熔金属。目前已成功地用SH S 技术在1967年刚发明时, 主要用于合成碳化物、

于粉末冶金、无机多孔件的制取、高温涂层、铸造、焊接等方面[16～18]。SH S 焊接是以SH S 反应放出的热为高温热源, 以SH S 产物为焊料, 在陶瓷和金属间形成牢固连接的过程。即, 在陶瓷2金属界面间预置高能焊料, 点燃焊料产生短时间高温燃烧, 使焊料和陶瓷2金属界面迅速融合, 并快冷形成接头。在此方面, 杨伟群、李树杰等认为实现陶瓷2金属SH S 焊接首先要解决预置焊料的热力学计算问题。利用电弧或辐射加热焊料可以达到这一点火温度T i , 产生放热反应, 此反应放热高且集中, 继续引燃其余焊料, 温度T ci 。这时燃烧波迅速蔓延, 焊料由固22, , 最后经冷却形成稳定的固态接头。SH S T ci H f =C P ・∃T +H m , ∃T =T c -T i 得出, 其中H f , p (反应物和生成物) 热容, H m 为熔化焓。T i T c 、焊料粉末粒径比、堆置密度及T i 等决定。对于SH 2金属界面处的残余应力问题; 如果焊料配方、压力, 可以达到预定的焊接强度。但SH S 机理研究尚未成熟, 笔者认为实现SH S 焊接在工艺上控制燃烧时间是首要问题。如果燃烧时间可控, 就使熔池和界面反应的控制成为可能, 就可以使陶瓷2金属实现有效焊接。

6　烧釉封接、烧结金属粉末及摩擦焊

烧釉封接是在空气中于陶瓷上烧结硅酸盐玻璃类物质, 然后再在还原气氛下与金属焊接, 但接头釉层龟裂严重。邵文古, 王理泉等将玻璃釉经过高温火焰喷枪喷熔在管道内外壁形成一种无机非金属涂层, 该涂层不老化, 耐腐蚀性优异, 可极大提高喷瓷管道的使用寿命。但是, 管道接口在焊接过程中, 由于焊接电弧高温作用会使喷瓷涂层熔化, 剥离及耐腐蚀性变化, 如不解决其防腐蚀问题, 必将严重影响管道的使用寿命[19]。王勇等人采用焊接模拟技术研究了喷瓷管道近缝区瓷层的耐蚀性变化规律, 指出随峰值温度的提高, 基体金属的硬度提高, 峰值温度为1350℃时, 瓷层全部转变为玻璃态[20, 21]。喷瓷管道焊接存在的问题是:基体金属中产生大量界面裂纹, 金属与瓷界面出现气泡。

烧结金属粉末是在陶瓷表面涂覆金属粉末烧结形成涂层, 然后用焊料对陶瓷与金属焊接。此方法多用于电子元件陶瓷金属封接与连接。

摩擦焊是使两焊件相对高速旋转并加压摩擦, 待金属表面加热至塑性状态后停转, 施加较大的顶锻力使焊件连接。接头处既有机械结合又有化学结合。但该方法仅限于圆棒、管件的焊接。

综上所述, 熔焊在一定程度上适合于铝基复合材料的连接, 尤其是高能束激光焊, 利用高能量输入, 快速加热与冷却, 采用脉冲输入方式, 可抑制界面反应, 从而获得良好接头。但焊接陶瓷2金属有较大困难。主要原因是陶瓷与金属物理性能的巨大差异, 使焊接工艺参数难以控制。主要表现为接头区域在热和力作用下, 陶瓷及其基体的界面被破坏。

烧釉封接、烧结金属粉末和摩擦焊各自适用的范围很窄, 且烧釉封接接头的釉层龟裂及内应力严重, 有被逐渐淘汰的可能。摩擦焊焊接纤维增强铝基复合材料导致增强相严重断裂, 焊接陶瓷2金属尚未见报道。

　第2期　　　　　　　　　李淑华等　陶瓷2金属焊接研究的现状与分析39

钎焊、固相压力扩散焊、陶瓷部分瞬间液相连接、自蔓延高温合成焊接等方法焊接陶瓷2金属显示出较高的适应性和较好的应用前景, 但还局限在实验阶段。迄今为止, 人们还没有找到行之有效的焊接方法应用于陶瓷2金属结构的连接中。

7　展　望

陶瓷2金属的焊接是一个全新的领域, 内容新颖而又异常丰富, 今后随着该种材料应用范围的不断扩大, 其可焊性和焊接工艺的研究将成为国内外普遍关注而亟待解决的研究课题。综合考虑焊接及工艺等方面因素, 笔者认为活性钎焊、陶瓷部分瞬间液相连接、SH S 焊接技术最有希望成为陶瓷2金属焊接工艺中的重点开发研究项目。

参考文献:

[1]　方　芳, 楼宏青1(1:702741

[2]　刘　深, 段辉平1Si C J 1, 1997, 增刊:22122231

[3]　邹贵生, 任家烈, 2金属[J ]. 材料导报, 1999, 13(2) :162181

[4]　杨伟群, [J]. 航空制造工程, 1998, (1) :172191

[5]　KL I M OW IG F . he L 2scale Comm ercializati on of A lum inum M atrix Compo sites [J ]. M ater Sci Eng , 1994, 46:492

531

[6]　D EVL ET I AN J H . Si C A lMM C W elding by a Capacito r D ischarge P rocess [J ]. W elding Journal , 1987, 66(7) :34239.

[7]　唐逸民1金属基复合材料焊接的研究进展问题及对策[J ]. 焊接研究与生产, 1998, (1) :5212.

[8]　广赖明夫1金属基复合材料の结合[J ]. 溶接会志, 1996, 65(4) :169221698.

[9]　A H EAM J S , COO KE C . Fusi on W elding of Si C 2reinfo rced A l Compo sites [J ]. M etal Const , 1982, 14(4) :1922197.

[10]　牛济泰, 刘黎明, 韩立红1铝基复合材料焊接研究现状及展望[J ]. 哈尔滨工业大学学报, 1999, 31(1) :1302132.

[11]　王慕珍, 孙　永1Si CW 606A l 激光焊规范参数对接头强度的影响[J ]. 航天工艺, 1991, 6:125.

[12]　陈茂爱, 唐逸民1金属基复合材料及其焊接[J]. 山东工业大学学报, 1997, 27(1) :362391

[13]　M O SN IER W C . Interacti on of A l 2Ge , and Zn 2A l Enteatil A lloysW ith Si C A l D iscontinuously R einfo rced M etalM atrix

Compo sites [J ]. Journal of M aterials Science , 1987, 22:1152122.

[14]　陈康华, 包崇玺1金属 陶瓷润湿性研究的综述[J ]. 材料导报, 1997, 11(4) :1251

[15]　方　芳, 陈　铮, 楼宏青, 等1陶瓷部分瞬间液相连接的研究进展[J ]. 材料科学与工程, 1999, 17(1) :70274.

[16]　李淑华, 王建江, 尹玉军, 等1自蔓延高温合成法制备内衬管[J ]. 河北工业科技, 1999, 16(2) :78281.

[17]　孙世清, 毛　磊, 王振明1(Si 2Fe 2O 3) 2(A l 2Fe 2O 32Si O 2) 复合体系自蔓延热力学分析[J ]. 河北工业科技, 1998, 15(1) :262

30.

[18]　孙世清, 毛　磊1SH S —离心法制备陶瓷内衬钢管[J ]. 河北工业科技, 1998, 15(2) :7211.

[19]　王　勇1喷瓷管道及其焊接性能试验[J ]. 石油工程建设, 1997, 23(5) :37240.

[20]　王　勇, 王维东1喷瓷管道焊接热敏感性研究[J]. 材料工程, 1999, (1) :172191

[21]　王　勇, 韩　涛1喷瓷管道焊接热影响区耐蚀性的研究[J ]. 材料保护, 1999, 32(3) :15216.

P resen t D evelopm en t of the W elding

Study on the Ceram ic m etal

1211L I Shu 2hua , L I Shu 2tang , Y I N Yu 2jun , DON G L i 2hong

(1. O rdnance Engineering Co llege , Sh ijiazhuang H ebei 050003, Ch ina ; 2. D aqing Constructi on Econom y A gency , D aqing H eilongjiang 163700, Ch ina )

40河北科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　2001年　Abstract :In advanced m anufacture industry , the use of ceram ic and m etal j o ined comp lex as structure m aterial can m ake the m utual compensati on of ceram ic m etal p roperties and decrease compo site m anufacture co st . T h is article p resents the m echanis m s and features of vari ous j o ining m ethods w ith focus on the ceram ic m etal brazing , partial liquid phase bonding and SH S w elding , each of w h ich is expected to p lay an i m po rtant ro le in the m anufacture industry .

Key words :ceram ic ; m etal ; w elding techno logy

(上接第14页)

[3]　虞启庄, 沈兆帮, 沈宏毅, 等1黑荆树皮单宁组份研究[J ]1, ) :[4]　COR I NN E P, JA CQU ES R. O ligom eric and Po Seeds[J]. Phytochem istry, 1994, 36(3) :

78127841

[5]　黄梅丽, 姜汝焘1[1:, 19841191

[6]　张文德1[M ]1:轻工业出版社, 1985151

on the Ex tracti on of O ligop roan thocyan idin s

from Grape Seeds

W E I Fu 2x iang , L I X in , HAN Ju

(Co llege of Environm ental Science and Engineering , H ebei U niversity of Science and T echno logy , Sh ijiazhuang H ebei 050018, Ch ina )

Abstract :Extracti on of o ligop roanthocyanidins from grape seeds is studied . A m ixed so lvent system of ethy 1acetate w ater is developed , and the raw m aterial selecti on is also discussed . By the p resent m ethod , h igh yields (014%～016%) can be obtained , and the m ass fracti ons of the extracts are mo re than 98%.

Key words :grape seeds ; extracti on ; po lypheno l ; flavano l