PDF《氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状》

收稿日期 :

2008 -

04 - 18;

修回日期 :

2008 -

04 -

29 作者简介 :李卓然 , 1971年出生 ,博士 ,副教授 ,主要从事新材料及异种材料连接方面的研究 氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状 李卓然 樊建新 冯吉才 (哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室 ,哈尔滨 150001) 文摘Al2 O3陶瓷与金属的焊接是 A l2 O3陶瓷材料得以发展和应用的关键技术之一.

本文对 A l2 O3陶瓷 与金属的连接方法作了综述 ,论述了不同连接工艺对其连接强度的影响. 关键词 A l2 O3陶瓷 ,金属 ,连接 ,强度 Progress in Joining of Alumina Ceramics to Metal L i Zhuoran Fan Jianxin Feng Jicai ( State Key Lab. of Advanced W elding Production Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract For the development and application of alum ina ceram ics,welding of alum ina ceram ics to metal is one of key technologies . In this article, the recent developments in joining of alum ina ceram ics to metal are reviewed. The effects of dissi m ilar joining techniques on shear strength are discussed. Key words A lum ina ceram ics,Metal, Joining, Strength

1 引言 氧化铝陶瓷是目前国内外陶瓷与金属封接材料 中用量最大的 ,其介电常数小、 比体积电阻大、 介质消 耗小和耐热冲击强度高 ,可以代替所有其他结构陶 瓷.我国目前生产的氧化铝瓷有 75瓷(75%质量分 数Al2 O3 ,下同 ) 、 95瓷、 97瓷和 99瓷等.氧化铝陶 瓷的一个缺点是氧化铝含量的增加伴随烧成温度的 升高 ,而给烧成工艺带来困难 ,且本身固有脆性导致 极小的临界裂纹 ,增大了陶瓷构件的加工难度.随着 工业上对大尺寸、 复杂部件的需求不断扩大 ,陶瓷的 连接技术倍受关注 [

1 ] . 有效的陶瓷连接 ,不仅可以实现低成本制造形状 复杂或大尺寸部件、 提高陶瓷结构件的可靠性 [

2 ] ,并 可用于破损陶瓷件的修复.因而研究 A l2 O3陶瓷的 连接具有很高的实用价值. 本文综述了 A l2 O3陶瓷几种连接方法及不同工 艺对其连接强度的影响.

2 钎焊连接 在陶瓷与金属的钎焊连接中 ,钎料在陶瓷上良好 的润湿是实现有效连接的前提.根据润湿性的不同 , 陶瓷与金属的钎焊可分为两类 :一类是先对陶瓷表面 进行预金属化处理 ,再用钎料连接 ,称为间接钎焊 ;

另 一类是直接采用含有活性金属元素的钎料进行连接 , 称为直接 (活性 )钎焊. 2.

1 陶瓷表面预金属化 陶瓷表面预金属化主要有 Mo - Mn法、 化学镀、 气相沉积和离子注入等.Mo - Mn法提出较早 ,由于 耗时耗能 ,目前很少采用.气相沉积法包括物理气相 沉积 (PVD) 、 化学气相沉积 (CVD)和等离子反应法. 预金属化的目的是为了改善钎料对陶瓷的润湿 性 ,还可以用于高温钎焊时保护陶瓷不发生分解而产 生空洞.但高温预金属化法工艺复杂 ,对设备要求 高 ,成本也很高. 张永清等 [

3 ] 实现了镀镍 A l2 O3陶瓷与金属的辉 光钎焊.A l2 O3陶瓷表面化学镀 N i的工艺参数见表 1, 粗化时选用硫酸、 酪酐、 氢氟酸粗化液 ,镀Ni层厚 度为 48μm.对镀镍 A l2 O3 、 Q235钢板及钎料进行清 洗、 打磨后进行装配 (图1) ,放入辉光钎焊炉阴极台 座.采用表 2推荐的工艺参数进行钎焊 ,加热与冷却 速度均为

50 V /m in. 结果显示 : 接头结合良好 , 其剪切强度为

78 MPa,试件全部断裂于陶瓷.陶瓷与镀镍层之间的结 合为机械镶嵌结合和化学键结合 ,镀镍层与钎料层以 及钎料层与低碳钢基体之间的结合均为晶间结合. ―

6 ― 宇航材料工艺 2008年第4期 表1Al2O3陶瓷表面化学镀镍工艺参数 Tab.

1 Techn ica l param eter of n ickel plating on A l2O3 ceram ics 工艺步骤 温度 /℃ 时间 /min 粗化 65~70

10 粗化 室温

5 敏化、 活化 65~70

15 解胶

50 3 镀镍

30 120 表2镀镍陶瓷与 Q235钢板辉光钎焊工艺参数 Tab.

2 Brazing techn ical parameter of alum i na ceram ics plated n ickel to Q235 steel plate 真空度 /Pa 工作气压 /Pa 工作电压 /V 钎焊温度 /℃ 保温时间 /min 出炉温度 /℃ 0.

1 25

800 830

8 室温 图1陶瓷与钢板钎焊接头装配图 Fig .

1 A ssembling sketch of brazing joint of ceram ics to steel plate 张永清等 [

3 ] 认为镀镍层厚度增加 ,可减缓陶瓷 中的热应力及残余应力 ,从而提高接头强度.另外 , 在钎焊时严格控制钎焊工艺参数 ,并采取适当的冷却 速度 ,也能减缓陶瓷中的热应力. 2.

2 活性钎焊 活性钎焊的工艺较简单.由于普通钎料在陶瓷 表面不润湿 ,因而不能直接用于陶瓷的钎焊.活性钎 焊技术的关键是通过添加少量活性元素 ,以促进液态 钎料在陶瓷表面的浸润. 顾小龙等 [

4 ] 进行了 A l2 O3陶瓷 /AgCuTi/可伐合 金钎焊接头力学性能测试.图 2为钎焊温度对接头 强度等影响情况.结果显示 ,当钎焊温度为 900℃、 保温时间为

5 m in时 ,其接头剪切强度最高 ,达144 MPa,并且随钎焊温度呈现先升高后降低的变化.此时,断裂大部分发生在 A l2 O3陶瓷 /钎料界面处 ,小部 分发生在界面中的 TiFe2 、 TiN i3金属间化合物层.钎 焊温度较低时 ,断裂主要发生在 A l2 O3陶瓷及其与钎 料界面上 ;

钎焊温度很高时 ,断裂发生在 TiFe2 、 TiN i3 金属间化合物层 ,连接强度均降低.钎焊保温时间很 短时 ,断裂主要发生在 A l2 O3陶瓷及其与钎料界面 上 ;

随保温时间的延长 ,断裂发生在 TiFe2 、 TiN i3金属 间化合物上的比例增加. 图2钎焊温度与接头强度的关系曲线 Fig .

2 Relation of brazing temperature and joint strength 吴铭方等 [

5 ] 进行了反应层厚度对 A l2 O3 /AgCu2 Ti/Ti - 6A l - 4V 接头强度影响的研究 (图3). 结果 显示 ,当反应层厚度为 1. 5μm 时 ,接头强度达到最 高值 (125 MPa) ,大于或小于 1. 5μm,接头强度均呈 下降趋势.反应层厚度小于 1μm,剪切试样沿反应 层和 A l2 O3陶瓷界面断裂.说明钎料与 A l2 O3陶瓷之 间界面反应不充分 ;

反应层厚度大于 3μm,剪切试样 沿反应层断裂 ,这是反应层中产生了显微孔洞和裂纹 造成的.反应层厚度较薄时 ,接头强度取决于界面强 度和残余应力的大小 ;

反应层厚度较厚时 ,接头强度 则取决于反应层自身强度和残余应力的大小. 图3反应层厚度与接头强度的关系曲线 Fig .

3 Relation between thickness of reaction layer and joint strength 王洪潇 [

6 ] 对Al2 O3陶瓷和无氧铜的钎焊工艺进 行了研究.结果显示 ,在Ag72 Cu28共晶钎料中添加活 性元素 Ti,钎焊氧化铝陶瓷与无氧铜 ,接头的封接强 度达到

103 MPa.图 4为 Ti含量变化时封接强度等 变化情况.当Ti质量分数小于 3%时 ,钎焊接头的封 接强度随着 Ti含量的增加而增大 ;

Ti质量分数大于 3%时 ,封接强度随着 Ti含量的增加而减小 ;

Ti质量 分数为 3%时 ,钎焊接头的封接强度最高. 用(Ag72 Cu28 )

97 Ti3活性钎料钎焊 A l2 O3陶瓷与无 氧铜 ,合适的钎焊工艺参数 : 850℃、 保温

5 m in、 真空 ―

7 ― 宇航材料工艺 2008年第4期 度为

1 mPa,钎焊过程中不施加压力.活性钎料与氧 化铝陶瓷之间反应产物的种类不随 Ti添加量的不同 而变化 ,反应产物均为 Ti3 A I和Ti3 Cu3 O.在(Ag72 Cu28 )

97 Ti3粉体中添加 A l2 O3陶瓷颗粒或 SiC陶瓷颗 粒相形成的复合钎料进行 A l2 O3陶瓷与无氧铜的钎 焊 ,发现复合钎料能够润湿氧化铝陶瓷基体 ,由于 Ti 部分消耗于同陶瓷颗粒之间的化学反应而使钎料与 陶瓷基体的连接强度降低. 图4Ti含量与封接强度的关系曲线 Fig .

4 Relation of titanium content and strength 刘军红等 [

7 ] 研究了 Al2 O3陶瓷与钢在大气中的钎 焊.材料为热压烧结复相 Al2 O3基陶瓷 (15 mm *

15 mm *

5 mm )和45 # 钢.钎料为丝状铜锌钎料 (铜约 60% ,其余为锌 ).钎剂成分为硼砂.45 # 钢预热到 200℃ 左右 ,将陶瓷放入预热炉中缓慢加热 ,达到钢预 热温度的 4倍以上.这样既能避免其钎焊时被急热 , 可减小应力 ,又有利于钎焊时的润湿.预热的

45 # 钢放 置在工作台上 ,用钎焊火焰略环绕烘烤 ,将预热好的陶 瓷取出放置在

45 # 钢上 ,立刻钎焊 ,时间为 120~180 s, 焊时多添加钎剂 ,焊后将焊件放入原预热炉内 ,炉中温 度800℃,随炉缓慢冷却.在适当的工艺条件下 ,将钢 预热 200℃ 以上 ,陶瓷预热温度 800℃,钎焊时间

150 s 左右 ,焊后将焊件放入原预热炉 (炉内温度 800℃ 左右)中 ,随炉缓慢冷却.可以实现复相 Al2 O3基陶瓷与 钢在大气中的直接钎焊连接.复相 Al2 O3基陶瓷与钢 钎焊的结合主要是 Fe和W的扩散以及界面发生反应 的综合结果.界面反应产生的新相主要为 Fe WO4 ,反 应区为针叶网状显微组织. 张玮 [

8 ] 等进行了镍离子注入 Al2 O3 /Cr18Ni9Ti的 钎焊界面成分分析.采用等压烧结而成的多晶氧化 铝 ,其 成分为Al2 O3 = 75% , Zr O2 = 25% , 金属为1Cr18Ni9Ti.钎料为 Ag34 Cu2 Ti.陶瓷的表面经镍离子 注入 , 剂量为5*10

17 ions/cm

2 .钎焊温度选定为950℃,保温

20 m in.结果显示在焊接界面处发生了元 素间的相互扩散 ,有Al、 Fe、 Cr、 Ni,其中 ,Al扩散最大 , Fe、 Cr、Ni的扩散量依次减小.而钎料的主要成分 Ag、 Cu、 Ti未扩散.镍离子注入可提高陶瓷表层元素 的活性 ,增加其扩散能力 ,有利于提高焊接强度. 目前 ,钎焊技术的研究已经发展到数字化、 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.

3 扩散连接 扩散连接是研究较多的耐高温陶瓷 /金属连接方 式 ,主要优点是连接强度高、 接头质量稳定和耐腐蚀 性能好 ,特别适用于高温和耐蚀条件下陶瓷与金属的 连接.扩散焊接头质量稳定 ,焊缝中不存在熔化焊缺 陷和过热组织热影响区.可焊接较大截面接头 ,一次 可以焊接多个接头 ,效率较高 ,可以增加中间层 ,对陶 瓷材料无需表面金属化.固相扩散焊可满足高温应 用的要求 ,但工艺过程复杂 ,对连接表面的加工和连 接设备的要求高. 王大勇等 [

9 ] 对Al2 O3陶瓷与 A l合金的扩散连接 进行了研究.结果显示 A l2 O3 /Cu /A1扩散连接最佳 工艺规范为 T =

777 K, t =

1 226 s,该规范下接头的拉 伸强度为

108 MPa,剪切强度为

45 MPa.图 5为不同 钎焊参数对 A l2 O3 /Cu /A l接头强度的影响. (a) 不同的钎焊温度 ( b)不同的保温时间 图5钎焊参数对接头强度的影响 Fig .

5 Effect of different brazing parameter on joint shear strength

4 过渡液相扩散连接 为了降低连接温度并获得耐高温接头 ,过渡液相 扩散连接 ( TLPB )成为近几年陶瓷 /金属连接的重要 方法.TLPB使用不均匀多层中间层 ,通过连接层 B 的熔化或 A /B 界面反应 ,在连接区形成局部液态合 金 ,再通过其与陶瓷的界面反应以及中间层核心金属 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 ,从而获得理想的接头质量.瞬间液相连接 ―

8 ― 宇航材料工艺 2008年第4期 具有钎焊和扩散焊的优点 ,在连接过程中施加 ≯10 kPa压力 ,发生等温凝固现象可以在接头熔点温度以 下进行连接 ,克服了钎焊的高温强度不佳和扩散焊的 构件易变形的缺点. 陈铮等 [

10 ] 采用 Ti作为中间层 ,进行了 A l2 O3陶 瓷与 Cu的瞬间液相连接.分析表明 , A l2 O3 /Ti/Cu 的瞬间液相连接中 Cu - Ti液体合金与 A l2 O3陶瓷的 界面反应产物为 TiO和Ti3 Cu3 O.靠近 A l2 O3陶瓷为 一层 TiO和Ti3 Cu3 O ,且有一定量 A l元素固溶于 Ti3 Cu3 O,形成 ( Ti, A l)

3 Cu3 O;

继层状反应层后为 (Cu3 Ti + Cu........