氧化铝陶瓷材料的微波焊接技术

1、氧化铝陶瓷材料的微波焊接技术陶瓷材料在高温下 具有高强度 、高硬度 、高绝缘性 、 高耐蚀性、高耐磨性 、良好的热稳定性和化学稳定性等许多优 良的特性 , 是陶瓷发动机 、磁流体发 电及核反应装置的关键材 料 。陶瓷材料用在燃气轮机或往复式发动机上 , 如用作包箍 、 涡轮叶片、 阀门零件和燃气轮机增压器部件时 , 其焊接技术显得 尤其重要。微波焊接 微波焊接是陶瓷焊接的另 种新方法 由于其加热 的高速度和均匀性具有许多潜在的经济效益。迄今为止 , 这项技 术已经用于陶瓷与陶瓷以及陶瓷与玻璃的焊接。陶瓷材料具有很好的耐热性和抗腐蚀能力 , 在许多高技术 领域 例如航天 , 汽车, 化工和电子工

2、业等正起着越来越重要的作 用,然而陶瓷材料的机械加工却极为困难 , 这就大大限制了陶瓷 材料的进一步推广使用。 解决方法除了目前正在研究的陶瓷超塑 性成型外 , 最有发展前途的技术是陶瓷焊接 ,即对形状简单的陶 瓷零件进行焊接 ,以制成形状复杂或大尺寸的构件 ,正因如此 ,陶 瓷焊接愈来愈受到人们的重视。 微波焊接是一门崭新的焊接技术 它利用微波在材料中介质损耗使陶瓷加热 , 在一定压力下完成连 接 , 根据接头间是否加入中间介质 , 微波焊接可分为直接焊接和 间接焊接两种 , 由于陶瓷的加热是通过微波与材料相互作用实现 的 , 使接头能够均匀地连接 , 避免了开裂发生 。同时微波加热 的升温

3、速度极快 , 陶瓷内部品粒不会严重长大 , 晶界相元素分 布 比焊接前更均匀 从而使接头区域材料保持优良的性能。微波连接陶瓷材料的原理和特点微波焊接试验装置( a) 微波焊接材料总图 ; (b) 微波焊接材料简图1 微波焊接的试验装置和特点 微波焊接陶瓷材料的典型试验装置见图1。被焊接的陶瓷材料置于微波应用器中 , 在陶瓷材料的两端施加压力。 磁控管产生 的微波经过微波波导输送到微波应用器中。微波频率通常为 2 45 GHz 或 0.915 GHz。微波加热陶瓷材料是利用微波电磁场与陶瓷材料的相互作 用, 因此陶瓷材料的微波加热与陶瓷材料本身的性能有很大的 关系。对于介电损耗高又不随温度剧烈变

4、化的陶瓷材料 , 微波烧 结的加热过程较为稳定 ,容易控制 ,但多数陶瓷材料在室温时介 电损耗较低 , 当加热超过临界温度 ,陶瓷材料的介电损耗急剧增 加, 使温度迅速上升。 另外, 对于某些对微波具有透过性的陶瓷材 料, 必须在材料中添加适量的具有吸收微波性能的添加剂或玻 璃相 , 才能进行微波加热。 利用微波在材料中的介质损耗 , 不仅 能完成陶瓷的烧结 ,而且还可以实现陶瓷材料的连接 , Meek 和 Black 最早利用微波技术实现了 Al2O3 薄片间的玻璃连接及陶 瓷/玻璃/ 金属连接。 微波连接陶瓷材料的主要原理是通过改变电 磁场的分布 ,实现微波能的聚焦 , 对连接部位进行局部

5、迅速加热 , 从而实现陶瓷材料的连接。微波连接陶瓷材料的特点有三个。 第一 , 对于传统的陶瓷连 接工艺 , 能量是从试样表面通过热传导的方式向内部传递 , 从而 达到温度均匀 , 由于多数陶瓷的导热性差 , 因此连接需要很长时 间。采用微波加热连接是使陶瓷连接层处迅速升温 , 从而大大缩 短了连接时间 ,节约了能量 ,降低了连接成本。第二 ,由于微波加 热较为迅速 , 反应时间短 , 可以使连接部位的温度迅速升高 , 从 而抑制了基体材料由于温度升高而导致的内部晶粒长大 , 因而使 连接部位具有较好的力学性能。第三 , 微波局部加热的特性 , 使 得微波主要加热所需要加热的区域 , 对其它区

6、域的加热并不明 显。因此 , 可以在一定程度上改善在传统焊接过程中由于两种母 材热膨胀系数不匹配所造成的热错配问题。2 微波应用于陶瓷材料的连接 陶瓷材料之间的微波连接根据有无采用中间连接层可以分 为两类 , 一类是采用中间介质作为连接层的间接连接 , 比如采用 Al 作为连接层连接 SiC 陶瓷与 SiC 陶瓷。另一类是陶瓷材料的 直接连接 , 比如不采用连接层进行 SiC 陶瓷与 SiC 陶瓷的连 接。根据连接的陶瓷母材类型可以分为同种陶瓷材料之间的微波 连接和异种陶瓷材料之间的微波连接。2 1 同种陶瓷材料之间的微波连接微波技术应用于同种陶瓷材料之间的连接主要有 Al2O3 陶 瓷与 A

7、l2O3 陶瓷的连接 ( 用符号 Al 2O3/Al2O3 表示 , 以下同 ) 6 8, MgO/ MgO 9, Al2O3 -30% ZrO2/ Al 2O3 -30%ZrO2 10, ZrO2 -Al2O3 -SiO2/ZrO2 -Al 2O3 - SiO2 11, SiC/SiC 12, Si3N4/ Si 3N4 12,MgF2/ MgF2 13等。 3 1 1 同种氧化物系陶瓷之间的微波连接 1985 年 Meek 等 5 率先用 700 W 功率的家用微波炉对两块 Al2O3 薄片进行了焊接 ,焊接 温度为700800,时间为99min。此后，对Al 203陶瓷的微波 连接研究就

8、迅速发展起来，Assaf i 等用AlOOH凝胶作为连 接层, 先将 Al00H 凝胶涂在需要连接的两个 Al203 陶瓷片的表 面, 然后在微波辐射下连接 Al 2O3 陶瓷。试验表明 , 样品在微波 中被加热到 1500 、 时间为 10min 、 且施加的压力为 06MPa 时连接成功，当连接温度达到1650C时,微波连接的接头抗弯强 度已达到母材抗弯强度的 93%,这是由于作为连接层的 AlOOH 凝 胶, 当温度高于 1300 时, 分解得到 Al2O3, 由于分解产物 Al2O3 与焊接母材的成分一致 , Al 2O3 填充连接界面的空隙 , 材 料之间的相容性好 , 从而提高了接

9、头的力学性能。另外 Yu 等7 报导了 Al2O3 陶瓷的同时烧结和连接 , 连接试样母材是经 2800MPa 干压过的 Al2O3 片状压坯 , 而作为连接层的是在 150MPa 压力下成形的 Al2O3 压坯薄片 ,整个试样在微波烧结和 连接前在600预热2h,然后在温度为1400C、时间为14min、 压力为 0 283MPa 的条件下进行微波烧结和连接。结果连接成功 但在连接界面上存在缺陷。文献 8 报导了 Al 2O3/Al2O3 陶瓷之间的直接连接。 Al2O3 试样的纯度为 90% , 将需要连接的 Al2O3 试样放在微波连 接腔中 , 连接面位于连接腔中间位置以保证其位于温度

10、的最高 区域, 微波源的工作频率为 2 5GHz, 试验的连接温度选择为 11001450、 时间少于20min、 压力为02 5MPa研究表明， 陶瓷间的接合强度与微波加热温度和所施加的轴向压力有关 , 当保温时间为 15min、 压力为 2MPa、 温度为 1300 时试样连接 良好,且接合强度为 150MPa, 达到了母材的强度。对其界面进行 微观分析 , 未发现中间反应层及熔融特征 , 但低于上述条件时 , 无 法连接成功。也有人使用微波在短时间内连接成功MgO/MgO陶瓷，MgO陶瓷母材之间未使用其它连接层。研究表明，在试验范围之内微波焊接的温度和压力越高 , 接头的抗弯强度也越大

11、, 当 微波连接时间为 4min、 温度为 1867 、 压力为 0 5MPa 时, 接 头的抗弯强度为105MPa达到MgO母材抗弯强度最大值的 70% 9 。文献10 将两个大小为15mm 4mm 4m的A12O3 -ZrO2 复 合陶瓷样品 （其中含 30%ZrO2） , 采用 Na2SiO3 粉作为连接层材 料进行复合陶瓷之间的连接试验 , 将 Na2SiO3 玻璃粉与丙三醇 混合成浆状物 , 然后将浆状物涂在 Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷的接 合表面,连接时的高温使得玻璃层熔化 ,熔化物扩散到 Al 2O3 -ZrO2 复合陶瓷表面 , 强化了界面。 研究发现 , 在微波连接过

12、程中 施加一定的压力或减少玻璃相的残留量均可提高 Al2O3 -ZrO2 复合陶瓷之间的连接强度。文献 11 报导了采用微波连接 ZrO2 -Al 2O3 -SiO2 陶 瓷（ZAC）。将直径为6mm的ZAC陶瓷棒的受焊面先用砂纸磨光， 再用 1 m 的金刚石研磨膏对其进行抛光 , 然后放入微波设备的单 模腔反应容器中的温度最高处。 试验的微波功率有 1kW、1 25kW、 1 5kW, 连接时载荷压力有 0 5MPa 、0 75MPa、 1 0MPa, 然后对 连接试样进行四点抗弯强度的测试。 结果表明 , 最大连接强度为 107% 母材强度 , 最小连接强度为 69%母材强度。当微波功率为

13、 1kW 或 1 25kW 且载荷压力为 0 75MPa 时, 达到最大连接强度。当载荷压力达到1MPa或微波功率达到1 5kW时,连接处熔化的 连接物会从ZAC陶瓷的连接面上溢出，形成一个凸起，从而降低 了连接强度。当载荷压力小于 0 75MPa时，无法将两个陶瓷面连 接在一起。因此，选择的最佳微波功率为1kW或1 25kW,载荷压 力为 0 75MPa。22 同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接同种非氧化物系陶瓷之间的微波连接主要有SiC/ SiC 系和Si3N4/ Si3N4 系等。由于 SiC 的高热导性、 良好的耐热震性和 耐蚀性使其成为用途广泛的结构材料 , 主要应用于热引擎发动 机、

14、热交换器等。 但由于其加工性差 , 需要的部件形状复杂 , 导致 制造困难且成本较高 , 因此 SiC 的应用受到一定的限制。然而 , 体积较大的复杂件可以先制成易于制造的体积较小、 形状简单 的部件, 然后对简单件进行连接 14 。目前研究主要集中在 SiC 陶瓷的间接连接和直接连接。关于间接连接 , 主要进行了烧结SiC 陶瓷的连接。烧结 SiC 陶瓷样品为圆柱体 , 其尺寸为 9mm 6mm中间连接层采用了两种不同方法来获得，一种采用Si粉或Si 浆作为连接层 ; 另一种通过 Si 、C、 Ti 粉混合燃烧合成 , 形 成 SiC/ T iC 复合材料作为连接层。将 SiC 陶瓷样品与连

15、接层 置于微波设备的单模腔中 , 施加 2 5MPa 的压力, 然后进行微波 连接。结果表明 , 采用 Si 粉作为连接层的试样 , 当连接温度接 近 1450 、 时间是 5 10min 、 微波功率大约为 250W 时, 连接 成功。试样的表面连接处较均匀 , 但存在一个相当厚的 Si 层 （ Si 层的厚度为 50 m） 。而采用燃烧合成 SiC/ T iC 作为中间 层也能连接成功 , 但中间层厚 300 m, 而且有明显的孔洞。试验 中效果最好的是在其中一个 SiC 陶瓷连接样品上等离子喷涂 Si 层，然后在610mm 610mm勺多模腔中以6kW的功率进行微波连 接, 不施加外力

16、, 得到的连接试样中间层厚度小于 5 m 。对中间 层的努氏硬度进行了测定 , 发现无变化 15 。另外, SiC 的间接 连接也有用 Al 作为连接层的报导。将 Si-SiC 和 -SiC 样品抛 光后在超声波中清洗 , 将 Al 薄片分别置于 S- i SiC 和 -SiC 样品之间 , 然后放入微波单模腔中 , 加热温度 1250 、施加 1 2MPa 的压力、保温 1min, 得到抗弯强度为 219 4MPa 的S-iSiC/AI/ S- i SiC连接样品和抗弯强度为 194 4MPalt勺-SiC/Al/ -SiC 连接样品 16 。关于直接连接 , 主要进行了 SiC/ SiC

17、系和 Si3N4/Si3N4 系陶瓷的连接 12 。采用的 SiC 母材是烧结 SiC陶瓷，样品大小为6mm 6mm 40mn纯度为98%（质量分数）。 先将 SiC 陶瓷试样用金刚石刀具从中间部位切开 , 断面用金刚 石砂轮磨成光滑的镜面 ,将两断面合在一起组成连接面 , 调整微 波设备使得炉中最高温度位于连接面 , 样品覆盖着 25mm 35mm 20mm的耐火砖，在两端面施加压力。为了防止连接过程中样品在 高温下被氧化 , 采用高纯 Ar 作为保护气氛。 结果表明 , 样品在连 接处的维氏显微硬度最大 , 这可能是由于在连接过程中 , 加热和 冷却时产生的内应力导致其硬度高于母材。当连接

18、温度为 2050C、压力为8MPa连接时间为5min时，得到的连接样品的 三点抗弯强度最大 , 达 404MPa, 相当于母材强度的 71%。微波 连接 Si 3N4/ Si 3N4 陶瓷的方法与微波连接 SiC/ SiC 陶瓷相 似。采用烧结 Si3N4 陶瓷, 样品大小为 6mm50mm, 纯度为 92%（质 量分数 ）。连接过程中采用高纯 N2 作为保护气氛。 结果表明 , 在 连接温度为1750C、压力为5MPa连接时间为10min时得到的 样品三点抗弯强度高达 560MPa,为Si3N4母材强度的83%另外， Bruce 等17 研究了 SiC 纤维增强 SiC 复合材料的相互连接。

19、 试样分为两种形状 , 一种是对头连接 , 另一种是燕尾连接。 将有 机陶瓷先驱体 SR350 浆涂在待连接的复合材料表面 , 然后进行 微波连接。结果表明 , 对于对头连接的接头 , 其平均抗弯强度为 31 9MPa, 而对于燕尾连接的接头 , 平均抗弯强度为 39MPa, 其 中, 燕尾连接的接头的最大抗弯强度为 48 1MPa。2.3 异种陶瓷材料之间的微波连接目前, 异种陶瓷材料之间采用微波连接成功的例子主要有ZTA ( ZrO2 增韧 Al 2O3 陶瓷) / Y -TZP(Y2O3 稳 定的四 方 相 ZrO2 陶 瓷 ) 18, Al2O3/MgO 19和 Al2O3/ Ca10

20、( PO4)6( OH)2 20 等。我国学者白向钰等 18 研究了 ZTA 和 Y -TZP 的连接。将 ZTA 和 Y -TZP 粉体分别预压成形 , 然后在 50MPa 单轴压力下使二者叠加为一个整体 , 经过 200MPa 的等静压 , 得 到尺寸大约为10mm 12mm的圆柱体生坯，其各层密度约为理论 密度的 50% , 然后将生坯放入圆柱型多模谐振腔微波加热系统中 微波源频率为2450MHz。研究发现，微波连接时界面区两侧晶粒 之间的连接较好 , 而常规加热连接时界面存在一些孔洞。 另外由 于 ZTA 与 Y -TZP 的热膨胀系数不同 , 采用常规加热连接时 , 在 高温保温完成

21、后的冷却至室温的过程中产生的残余应力使得 Y -TZP 侧易发生开裂 , 从而降低接合强度。采用微波连接时 , 界 面接合状态较好 , 而且 ZTA 处于压应力状态 , 因而裂纹扩展至 界面处停止。研究发现 , 当连接温度为 1450 、 连接时间为 30min 时样品的剪切强度为 80MPa, 而采用常规加热方法 , 在相 同的连接温度下 , 连接时间为 60min 时,其剪切强度仅为 20MPa。 Tadao 等 19 采用单模腔微波炉成功连接 Al 2O3 陶瓷 和 MgO 陶瓷。选择了连接温度为 1577 1877 、 连接压力为 0 03 0 5MPa、 连接时间为 2 10min 的试验条件 , 当连接温度 为1877、压力为0