第五章+陶瓷材料的连接(2)

1、主要内容主要内容陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的连接方法陶瓷材料的连接方法线胀系数、弹性模量差异线胀系数、弹性模量差异接头附近不均匀的热应力接头附近不均匀的热应力(陶陶瓷侧高应力瓷侧高应力) 应力集中应力集中裂纹裂纹焊接温度与室温之差很大焊接温度与室温之差很大较大的残余应力较大的残余应力一、焊接应力和裂纹一、焊接应力和裂纹缓解较大的分布不均残余应力的措施：缓解较大的分布不均残余应力的措施：加入中间层加入中间层 中间层的选择原则：中间层的选择原则： 选择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材料选

2、择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材料，通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷，通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷中的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷中的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷/金属金属接头的应力。接头的应力。主要选择的中间层：主要选择的中间层：单一金属：单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合金、铜镍合金、合金钢、合金钢两种不同的金属作为复合中间层，例如：两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为塑作为塑性金属，性金属，W作为低线胀系数材料作为低线胀系数材料中间层材料的预置方式：中间层材料的预置方式：金属铂片金属铂片金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、金属粉

3、末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、喷涂、电镀喷涂、电镀中间层的影响：中间层的影响：中间层厚度增大，残余应力降低中间层厚度增大，残余应力降低若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使接头恶化接头恶化其他降低残余应力的特殊措施：其他降低残余应力的特殊措施：合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下，尽可能使两者的线胀系数相差最小。，尽可能使两者的线胀系数相差最小。尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，降低冷却速度，有利于应

4、力松弛而使焊接应力减小。降低冷却速度，有利于应力松弛而使焊接应力减小。采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接头结构。头结构。二、界面反应及形成过程二、界面反应及形成过程 接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结合的关键。这些相结构取决于陶瓷与金属合的关键。这些相结构取决于陶瓷与金属(包括包括中间层中间层)的种类，也与连接条件的种类，也与连接条件(如加热温度、表如加热温度、表面状态、中间合金及厚度等面状态、中间合金及厚度等)有关。有关。1 1、界面反应产物、界面反应产物例如：例如：SiCSi

5、C与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相MeSiMeCSiCMeyxCMeSiSiCMe例如：例如：SiSi3 3N N4 4与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅化物或三与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅化物或三元化合物元化合物例如：例如：AlAl2 2O O3 3与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或三与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或三元化合物元化合物2 2、扩散界面的形成、扩散界面的形成 陶瓷与金属各方面的差异很大，中间层元素陶瓷与金属各方面的差

6、异很大，中间层元素在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连接界面形成过程的非对称性。接界面形成过程的非对称性。例如：例如：AlAl2 2O O3 3-TiC-TiC复合陶瓷复合陶瓷与与W18Cr4VW18Cr4V高速钢扩散连接高速钢扩散连接，以以Ti/Cu/TiTi/Cu/Ti为中间层为中间层3 3、扩散连接界面反应机理、扩散连接界面反应机理(1) Al2O3-TiC/Ti界面界面(A)(2)Ti-Cu-Ti中间层内中间层内(B)(3)Ti/W18Cr4V界面近界面近

7、Ti侧侧(C)(4)Ti/W18Cr4V界面近界面近W18Cr4V侧侧(D)反应层反应层A主要为：主要为：TiO、Ti3Al和和TiC相相AlTiOOAlTi2333233TiAlAlTiTiAlAlTiAlTiAlTi33TiAlTiTiAl323AlTiTiTiAl32TiCCTi反应层反应层B主要为：主要为：CuTi、CuTi2和和TiCCuTiTiCu22CuTiTiCuTiCCTi反应层反应层C主要为：主要为：TiC和少量的和少量的FeTi相相FeTiTiFeTiFeTiFe22FeTiTiFe2TiCCTi反应层反应层D主要是：主要是：Fe3W3C等碳化物和等碳化物和-FeTiCC

8、TiW18Cr4V侧形成脱碳层侧形成脱碳层CWFeCWFe33未反应的未反应的Fe以以-Fe形式保存下来形式保存下来 Ti几乎出现在所有的界面反应产物中，表明几乎出现在所有的界面反应产物中，表明Ti参参与了界面反应的各个过程。在与了界面反应的各个过程。在Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接过程中，扩散连接过程中，Ti是界面反应的主控元素是界面反应的主控元素。4 4、扩散界面的结合强度、扩散界面的结合强度(1)(1)加热温度加热温度温度提高温度提高界面扩散反应充分，接头强度提高。界面扩散反应充分，接头强度提高。温度过高温度过高使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相

9、(2)(2)保温时间保温时间2/10tBb(3)(3)压力压力 为了使接触面处产生微观塑性变形，减小表面不平整和为了使接触面处产生微观塑性变形，减小表面不平整和破坏表面氧化膜，增加表面接触面积，为原子扩散提供条破坏表面氧化膜，增加表面接触面积，为原子扩散提供条件。件。(4)(4)表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙会在陶瓷中产生局部应力集中而引起脆性破坏表面粗糙会在陶瓷中产生局部应力集中而引起脆性破坏(5)(5)连接环境连接环境 避免了避免了O O、H H等参与界面反应，有利于提高接头的强度等参与界面反应，有利于提高接头的强度陶瓷与金属在化学键型、微观结构、物理性质和力学性陶瓷与金属在化学键型、微观

10、结构、物理性质和力学性能等方面存在极大的差异，采用常规的方法是很难讲它能等方面存在极大的差异，采用常规的方法是很难讲它们连接在一起并满足使用要求的。这主要表现在：们连接在一起并满足使用要求的。这主要表现在：1 1、陶瓷与金属的键型不同，连接时存在键型的转换和、陶瓷与金属的键型不同，连接时存在键型的转换和匹配问题，难以实现良好的冶金连接匹配问题，难以实现良好的冶金连接2 2、陶瓷与金属的热胀差异很大，连接后容易产生很大、陶瓷与金属的热胀差异很大，连接后容易产生很大的残余应力，难以获得高强度接头的残余应力，难以获得高强度接头3 3、陶瓷的热导率低，导电性差，抗热冲击能力弱，润、陶瓷的热导率低，导电

11、性差，抗热冲击能力弱，润湿性不好，这给连接工艺的确定带来了很大的困难。湿性不好，这给连接工艺的确定带来了很大的困难。陶瓷与金属之间的连接方法，包括机械连接、粘接和焊接。陶瓷与金属之间的连接方法，包括机械连接、粘接和焊接。常用的焊接方法主要有钎焊连接、扩散连接、电子束焊、激常用的焊接方法主要有钎焊连接、扩散连接、电子束焊、激光焊等。光焊等。coslglssglgcoslssglssg润湿的基本条件gagahlssg2cos2lg lssg方法方法母材受热母材受热 填充材料填充材料热源热源压力压力 接头拆卸性接头拆卸性 结合特征结合特征熔化焊熔化焊熔化熔化有或无有或无内部或外加内部或外加无无不可拆

12、卸不可拆卸冶金结合冶金结合固相焊固相焊不熔化不熔化无无外加外加有有不可拆卸不可拆卸冶金结合冶金结合钎焊钎焊不熔化不熔化有有外加外加无无部分可拆卸部分可拆卸 冶金结合冶金结合三种连接方法特征对比三种连接方法特征对比扬中市金星焊料有限公司之铜磷钎料扬中市金星焊料有限公司之铜磷钎料钎焊带钎焊带 真空钎焊系统真空钎焊系统铝钎焊炉铝钎焊炉 在陶瓷与金属的钎焊连接中，钎料在陶瓷上良好的润湿性能在陶瓷与金属的钎焊连接中，钎料在陶瓷上良好的润湿性能是实现有效冶金连接的前提。根据改善润湿性的不同，分为是实现有效冶金连接的前提。根据改善润湿性的不同，分为两类：两类：间接钎焊，间接钎焊，即先对陶瓷表面进行金属化处理

13、，再使用常规钎即先对陶瓷表面进行金属化处理，再使用常规钎料连接；料连接；直接钎焊，直接钎焊，即直接采用含有活性金属元素的钎料焊接即直接采用含有活性金属元素的钎料焊接一、间接钎焊一、间接钎焊1 1、陶瓷表面的金属化方法、陶瓷表面的金属化方法- Mo-Mn Mo-Mn法法- 蒸发金属化法蒸发金属化法- 溅射金属化法溅射金属化法- 离子注入法离子注入法- 热喷涂法热喷涂法Mo-Mn法法 19世纪世纪30年代发展起来的，是现代陶瓷金属化的基础。年代发展起来的，是现代陶瓷金属化的基础。 工艺过程为：将工艺过程为：将MnO2与与Mo的粉末用粘接剂粘到陶瓷表的粉末用粘接剂粘到陶瓷表面，在面，在1000180

14、0的的N2或或H2中烧结，表面形成玻璃相，同中烧结，表面形成玻璃相，同时部分金属氧化物还原，产生金属表面层。为改善钎料对金时部分金属氧化物还原，产生金属表面层。为改善钎料对金属化层的润湿性，可在金属化层上镀镍，最后用银属化层的润湿性，可在金属化层上镀镍，最后用银-铜钎料将铜钎料将镀镍层与金属母材钎焊起来。镀镍层与金属母材钎焊起来。2、陶瓷与金属间接真空钎焊时对钎料的要求、陶瓷与金属间接真空钎焊时对钎料的要求 钎料中不含有饱和蒸汽压高的化学元素，如钎料中不含有饱和蒸汽压高的化学元素，如Zn、Cd、Mg等，以免在钎焊过程中这些化学元素污染电子器件或造成电等，以免在钎焊过程中这些化学元素污染电子器件

15、或造成电介质漏电。介质漏电。 钎料的含氧量不能超过钎料的含氧量不能超过0.001%，以免在氢气中钎焊时生成，以免在氢气中钎焊时生成水汽。水汽。 钎焊接头要有较好的松弛性，能最大限度地减小由陶瓷与钎焊接头要有较好的松弛性，能最大限度地减小由陶瓷与金属线胀系数差异而引起的热应力。金属线胀系数差异而引起的热应力。3 3、陶瓷金属化钎焊工艺、陶瓷金属化钎焊工艺二、直接钎焊二、直接钎焊过渡金属主要有离子键和共价键，表现出非常稳定的电过渡金属主要有离子键和共价键，表现出非常稳定的电子配位，要使陶瓷表面被金属键的金属钎料润湿，在钎料子配位，要使陶瓷表面被金属键的金属钎料润湿，在钎料和陶瓷之间必须要有化学反应

16、发生，通过反应陶瓷表面分和陶瓷之间必须要有化学反应发生，通过反应陶瓷表面分解形成新相，产生化学吸附机制，才能形成强的界面结合解形成新相，产生化学吸附机制，才能形成强的界面结合。过渡金属具有很强的化学活性，这些元素对氧化物、硅过渡金属具有很强的化学活性，这些元素对氧化物、硅酸盐等有较大的亲和力，可通过化学反应在陶瓷表面形成酸盐等有较大的亲和力，可通过化学反应在陶瓷表面形成反应层。反应层。反应层主要由金属与陶瓷的复合物相组成，表现出与金反应层主要由金属与陶瓷的复合物相组成，表现出与金属相同的微观结构，可被熔化金属润湿，从而达到与金属属相同的微观结构，可被熔化金属润湿，从而达到与金属连接的目的。连接的目的。1 1、活性钎料、活性钎料在在Au、Ag、Cu、Ni等系统的钎料中加入活性金属后，制成等系统的钎料中加入活性金属后，制成活性钎料。活性钎料。活性钎料通常以活性钎料通常以Ti作为活性元素。作为活性元素。活性金属的化学活性很强，钎焊时对活性元素的保护是很重活性金属的化学活性很强，钎焊时对活性元素的保护是很重要的，这些元素一旦被氧化后就不能再与陶瓷发生反应。因要的，这些元素一旦被氧化后就不能再与陶瓷发生反应。因此，活性金属法钎焊一般是在此，活性金属法钎焊一般是在10-2Pa的真空或惰性保护气氛中的真空或惰性保护气