工程陶瓷的發展背景和焊接工藝

         工程陶瓷發展背景

         隨著科學技術的發展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應用領域已發生了根本性的變化，從傳統的生活用陶瓷發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中發揮了重要的作用；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展陶瓷發動機、磁流體發電及核反應裝置等高科技產品的重要材料，但是工程陶瓷嚴重的脆性而使其無法做成復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來制造復雜的陶瓷件以及陶瓷和金屬的復合件。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，這實際上應是一種用密封管子的釬焊。但它以達到密封為主要目的，因此該技術并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬復合件的焊接。近二十多年來隨著工程陶瓷的開發和應用，如汽車工業中陶瓷發動機的研究和開發，大大地推動了工程陶瓷焊接技術的發展。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，但作為工程上應用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應絕熱或無冷發動機研制的需要而發展起來的，并已取得了較大的進展。

         工程陶瓷技術關鍵

         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/金屬界面的結合問題。由于陶瓷與金屬在電子結隊晶體結構、力學性能、熱物理性能以及化學性能等方面存在著明顯的差別，因此要實現陶瓷/金屬界面的冶金結合是非常困難的；用常規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，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。現有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進行的，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鍵問題為：

         （1）工程陶瓷界面反應問題無論是擴散焊還是釬焊，陶瓷/金屬界面的結合機制都屬于化學結合。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；

         工程陶瓷沒有界面反應就不能潤濕，不能結合。因此，釬焊時陶瓷/金屬的界面反應不僅是產生化學結合的必要條件，而且也是潤濕陶瓷的先決條件。例如用常規的Ag-Cu釬料釬焊Si3N4時，既不潤濕又不結合；

         工程陶瓷用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti釬料釬焊時，潤濕和結合都很好。根據熱力學條件，工程陶瓷活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應的自由能變化ΔG0為準則。在擴散焊時為獲得好的界面結合，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）工程陶瓷界面兩側的熱-力學的匹配問題由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來后會產生很大的熱應力，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）的熱膨脹系數都很大，而膨脹系數小的金屬（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應力水平過高時，使用過程中發生脆性斷裂將是非常危險的。焊接陶瓷為避免熱應力，焊前必須預熱。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，預熱溫度700~1800℃。將預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，夾在無級調速的可移動和旋轉的載物臺上，并置于電阻爐的爐膛內。當真空度＜0.013Pa，預熱溫度＞1500℃時，使焊件自動地平穩旋轉，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，形成金屬陶瓷結合層，在5~8s之內，焊接即告結束，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行焊接。

         工程陶瓷幾種焊接方法的比較

         根據前面的分析，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，并且得到了應用，如汽車發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合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規釬料配合應用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點是工藝相當復雜。固相擴散焊的最大優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施加很大的壓力通過大變形量來達到結合的，這對硬脆的陶瓷材料很難達到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點來進行加熱和擴散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。

         工程陶瓷發展前景

         關于工程陶瓷焊接的研究數量很多，目前除對一些理論問題，如界面反應、內應力數值模擬等須進一步深入研究外，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，內應力問題不很突出，在大面積和復雜零件的焊接時，陶瓷前開裂和低應力破壞是一個嚴重問題，必須進步研究降低內應力的辦法。

         3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進行，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）兩個問題是關鍵，而且二者密切相關，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發應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，但帶來了很大的負面作用，即提高了焊接內應力。從降低內應力出發，應盡量降低焊接溫度，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應力問題以及采用非晶態釬料或中間層來降低釬焊溫度和擴散焊溫度。