陶瓷与金属的连接方法

2016-11-28 摘自：材易通

1、为何要将陶瓷与金属连接在一起

      陶瓷材料具有许多传统材料不具备的优点。陶瓷材料主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼等，材料的性能特点主要是硬度高、耐高温、耐磨、大部分材料绝热绝缘性好、比重小于钢铁，主要用于工程机械配套需要耐高温、耐磨的场合，如航天工业高速摩擦件、各种密封件、 泵和压缩机的柱塞和缸套、高级轴承等。

      但是陶瓷材料脆、不耐冲击、抗拉及抗弯曲较差，而金属材一般有很高的机械强度、韧性好、较能耐高温、导电传热性好，广泛应用于机械工程中关键零部件和一切重工业中的大型构件，在工业生产中有广泛的应用。

      陶瓷和金属材料的连接，可以很好地使两种材料的性能得到更好的发挥，如将 CC 与 TiAl 连接起来应用在航空航天领域中的热端部件，如制成火箭发动机喷管构件等，可以大大减轻构件重量，提高火箭发动机推重比。因而，研究陶瓷和金属两种材料简便、高效、节能的连接方法很有工业应用前景。

2、陶瓷与金属连接特点

      金属和陶瓷是两类完全不同的材料。它是把两种材料性能差异很大的零件采用合适的工艺过程连接成为一个整体。由于陶瓷和金属在物理性质、化学键型、力学性质和微观结构等方面差异很大，使用一般的方法是很难按照需求把它们连接到一起的。

      陶瓷与金属连接过程中，绝大多数金属与陶瓷存在较大的热失配，在加热过程中连接陶瓷与金属时，由于接头处很容易产生残余应力，使接头的力学性能被削弱；熔 化的金属很难润湿陶瓷；陶瓷耐热冲击力弱，有较低的热导率，加热时很容易产生裂纹，所以应该控制加热和冷却速度并减小焊接区域的温度梯度。

      金属和陶瓷的焊接属于异种材料的焊接，一般需要添加中间层，中间层的使用对焊接接头性能影响很大。焊接中间层在金属和陶瓷的连接连接中的主要作用包括：

      改善母材表面接触，润湿母材；

      可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解；

      改善冶金反应，避免或者减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织，优 化接头显微结构从而提高接头强度；

      可以降低焊接温度、减少扩散焊接时间，从而控制接头应力、提高接头强度；

      减小金属和陶瓷间因力作用，改善因膨胀系数不同造成的变形。

实验表明，添加不同厚度的中间层对接头强度的影响不同。

3、陶瓷与金属的连接方法

      陶瓷与金属的连接方法主要有：粘合剂粘接、机械连接、熔化焊、钎焊、固相扩散连接、自蔓延高温合成连接、瞬时液相连接等连接方法。

粘合剂粘接

      利用胶粘剂将陶瓷与金属连接在一起，主要应用于飞机的应急修理、炮弹与导弹的辅助件连接、涡轮和压缩机转子的修复等处。尽管粘接连接可以一定程度缓解陶瓷 与金属间的热应力且工艺简单、效率高，但接头强度通常小于100MPa，使用温度一般低于200℃，大多用于静载荷和超低静载荷零件。

机械连接

      机械连接是一种借助结构设计的连接方法，有螺栓连接和热套连接两种。机械连接由于方便已经在部分增压转子与金属的连接中应用。热套连接获得的接头具有一定的气密性，但仅限于低温使用，且这种接头具有较大的残余应力。

钎焊连接

      钎焊是最常用的连接陶瓷与金属的方法之一，它是以熔点比母材低的材料做钎料，加热到略高于钎料熔点的温度，利用熔化的液态钎料润湿被连接材料表面，从而填充接头间隙，通过母材与钎料间元素的互扩散实现连接。包括直接钎焊和间接钎焊。

固相扩散连接

      将被连接材料置于真空或惰性气氛中，使其在高温和压力作用下局部发生塑性变形，通过原子间的互扩散或化学反应形成反应层，实现可靠连接。按连接方式，可 分为直接扩散连接和间接扩散连接。固相扩散连接适用于各种陶瓷与金属的连接，相对于钎焊连接，其具有连接强度高，接头质量稳定、耐腐蚀性能好，可实现大面 积连接，且接头不存在低熔点钎料金属或合金，能够获得耐高温接头等优点。

熔化焊

      采用高能束具有加热和冷却速度快的优点，能在陶瓷不熔化的条件下使金属熔化，形成连接。熔化焊连接陶瓷和金属主要包括激光焊和电子束焊接。此法能获得高温 下稳定的接头，但是需要对被连接材料进行预热和缓冷，而且陶瓷与金属组配相对困难，连接工艺参数难以控制，设备造价昂贵。

瞬时液相连接

      简称为 TLP 连接或液相扩散焊，是在真空条件下，施加较小或不施加压力，当温度达到中间层熔点或中间层与母材元素通过互扩散形成低熔共晶产物时，在中间层与母材之间形成液相薄膜，通过中间层降熔元素向母材扩散及母材中高熔点元素向液相中溶解，使液相层熔点不断升高，并在等温条件下凝固，最后经过均匀化形成致密接头。瞬时液相连接综合了钎焊和固相扩散焊的优点，已经成功应用在金属间化合物、先进陶瓷、耐热耐蚀超合金、单晶合金等多种先进材料的连接。

自蔓延高温合成（SHS）连接

      在陶瓷和金属之间预置高温焊料，点燃焊料产生短时间高温燃烧，以SHS反应放出的热为高温热源，以SHS产物为焊料，使陶瓷-金属界面迅速融合，并快冷形成牢固的连接。SHS连接材料的配方、压力、气氛等均易于控制，反应时间短，能显著地减少连接时间，但是反应速度太快，焊料燃烧时间难于控制，从而也就使界面反应难于控制。

      陶瓷与金属的连接方法很多，目前被广泛使用的仍然是钎焊、固相扩散连接以及瞬时液相连接等方法。

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