陶瓷组装部件先进钎焊技术课件

1、先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining陶瓷组装部件的先进钎焊技术 先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining1. 简介陶瓷应用：切削刀具、耐磨部件、电子设备、能量转换和能源生产系统部件、传感器，以及生物材料在应用过程中所有这些零件需要与其他部件或构件连接到一起形成一个整体，而实现这些设计则需要依靠合适的连接方法。陶瓷连接方法：机械连接技术、预陶瓷化的高分子连接、软钎焊/硬钎焊、扩散焊，以及玻璃-金属密封方法。也有其他具有特定用途的方法，如摩

2、擦焊、微波连接、超声波焊接和粘接陶瓷连接方法的选择：通常根据母材的特性，接头的需求（服役温度、强度、腐蚀等）、实施的简易程度，以及功能性来选择合适的方法。钎焊：可以对复杂形状的几何体进行低成本、大规模的连接，并且可以定制以实现部件的批量生产先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining应用连接部件1：陶瓷连接部件2：金属或陶瓷实例汽车部件Si3N4，Al2O3，ZrO2Kovar，Mo，钢，Si3N4，Al2O3，ZrO2涡轮增压器高科技结构陶瓷B4C，SiCTi，Cu. Ni合金，金属基复合材料（Al，Ti基MMC）军用

3、装甲磨具金刚石，cBN，Si3N4TiN WC TiCN，TiC，TiN钢，TiCN，TiC，TiN磨具，钻具，锯，切削刀具耐高温接头SiC，Si3N4高温合金（Incoloy），C/C复合材料燃气轮机部件：导气喷嘴；热核反应堆（ITER）：与等离子接触的部件生物医学Al2O3，ZrO2 YSZTi合金假肢，其中密封对于可植入医疗装置十分重要真空密封Al2O3Ti合金，钢，Cu-Au-Ni-TiToF质谱仪种子发生器电力电子应用AlNCu大功率高频导体电子封装/微电子AlN，BeOCu，Si（晶片）散热电子部件：激光二极管，基底多芯片，多芯片组件封装微通道应用，应变仪，向下LWDAl2O3Ko

4、var（Fe，Ni）Ti合金，Inconel和hastelloy合金微机电系统Si3N4具有Ti-Cu，Ti-Ni及Ti-Cu-Ni多层薄复合层的Inconel 718 能源YSZ钢固体氧化物燃料电池钎焊技术在陶瓷设备和部件中的应用先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining2. 润湿性、残余应力和接头可靠性润湿不良润湿良好钎料与陶瓷的润湿性：陶瓷钎焊依赖于填充金属或合金对陶瓷表面润湿的能力，而这种润湿能力常常被陶瓷自身的共价键合和低表面能所抑制。改善钎料与陶瓷的润湿性的方式：(1)陶瓷表面改性或(2)钎料自身改性陶瓷表

5、面改性：表面处理包括金属化（例如电子和电气工业中广泛采用的钼-锰法），金属镀层，以及金属氢化物处理；钎料改性：而对钎料的改性通常采用活性金属钎焊法。镍、银、铜和铬的镀层被用于提高陶瓷表面润湿性，而sodium process或Ti涂层则用于改善Al2O3与液态金属的润湿性。先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining线膨胀系数通过添加颗粒来改变钎料的物理特性2. 润湿性、残余应力和接头可靠性活性钎焊法（一步法）：其定义为在钎焊过程中使用含有活性元素的钎料，活性元素通过形成中间反应层改变陶瓷表面化学性质，从而降低了熔融钎料

6、在陶瓷表面的润湿角。常用的活性元素包括Ti、Zr、Hf、V和Al。残余应力的缓解：使用中间层（韧性金属层或与待连接的陶瓷热膨胀系数相近的中间层）（多种加工步骤），或者使用先进的复合钎料（一步式）。复合钎料法的优势：对大间隙钎焊有明显的优势。复合钎料的理念可以改善接头的可靠性，提高较高温度下的强度，从而提高接头的服役温度。先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接头设计活性元素控制润湿行为，影响接头强度先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Join

7、ing3. 接头设计对比了Incusil 15（Ag61.5Cu23.5In15）和Incusil-ABA（Ag59Cu27In12Ti1.25）的应力-应变特征活性元素显著改变钎料的热力性能，对缓解接头应力的水平产生影响钎料中Ti含量过高的负面影响，导致（a）与钢作为母材的接头中形成脆性Laves相（Fe2Ti）；（b）向Si3N4-TiN中扩散先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接头设计颗粒增强钎料的有限元模型很好地描述了真实结构（左：SiC增强的钎料的SEM图像；右：真实结构的有限元展示）理论与试验相

8、结合，对于简单的部件形状和初步接头设计，可以使用解析法。对于部件或接头很复杂，对其行为的模拟需要数值方法，如有限元分析。先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接头设计不同条件下钎焊的金属-陶瓷接头的断裂。（a）由于高残余应力导致的弯曲裂纹；（b）陶瓷中的直裂纹（由于材料缺陷而导致沿陶瓷开裂）先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接头设计通过两步法钎焊的Si3N4-TiN/钢接头的SEM图像（陶瓷金属化：CuSnTiZr（79

9、5oC），预金属化的陶瓷与钢的钎焊：Incusil 15（605-725oC）先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining4. 陶瓷基复合材料的连接母材E(GPa)(室温-600)(10-6/K)强度(MPa)14 NiCr 14钢210 14.1 600 (抗拉) Mo325 5.1 620 (抗拉) Haynes 230超合金211 16.5860 (抗拉)Ni-22Cr-14W-5Co-3Fe-2MoSi3N4-TiN 70/30330 3.8 785 (51) (抗弯) Duran硅硼酸盐玻璃/SiCf200 3

10、 2750 (抗拉) Duran硅硼酸盐玻璃63 3.25 60 (抗拉) 莫来石-莫来石（Vf=11%）234 6.8475 (抗弯)钎料成分(wt%)液化温度()CB6Ag 98.4, In 1, Ti 0.6 948-959 CuSnTiZrCu 74.5, Sn 14, Ti 10, Zr 1.5 795 Cusil-ABA Ag 63, Cu 65.25, Ti 1.75 780-815 Incusil-ABA Ag 59, Cu 27.25, In 12.5, Ti 1.25 605-715 Incusil 15Ag 61.5, Cu 23.5, In 15 605-725 复合材

11、料连接的特点：解决复合材料不同组分（例如纤维和基体）之间润湿性和反应性的不同、连接过程与复合材料制造技术的兼容性，如纤维的排列方向等先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and JoiningSi3N4-TiN（30 wt%）与钢的连接（=1110-6/K）钎料陶瓷/陶瓷接头金属/陶瓷接头钎焊温度()加工步数室温抗弯强度平均值（最小-最大）测试温度()抗弯强度(MPa)CB6299 (241 338) 室温361 (275 430)1010 1350457 (425 497)400375 (290 423)450423 (347 479

12、)500326 (295 267)600219 (166 253)CuSnTiZr333 (286 370)室温105 (92 113)9501Cusil - ABA室温228 (142 336)8001Incusil - ABA 413 (378 442)室温329 (259 387)7401200431 (423 439)250485 (456 509)300476 (404 485)350454 (408 478)400256 (182 323)CuSnTiZr/Incusil 15320 (260 360)室温398 (362 438)7402CuSnTiZr/Incusil - AB

13、A413 (442 378)室温315 (428 227)7402CuSnTiZr/Cu中间层室温354 (304 406)9502Incusil ABA+10% SiCp425 (394 465) 室温284 (201 349)7501250523 (505 556)300475 (463 485)350414 (404 428)400308 (301 320)Incusil ABA+20% SiCp室温195 (179 212)7501Incusil ABA+30% SiCp室温39 (28 52)7501Incusil ABA+30% SiCp室温403 (342 440)7501250

14、459 (489 422)300505 (572 403)350387 (485 288)400291 (324 242)先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining采用不同商用活性钎料和复合钎料钎焊连接Si3N4-TiN/钢接头的四点弯曲强度钛含量的影响Si3N4-TiN（30 wt%）与钢的连接（=1110-6/K）先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and Joining采用有限元法模拟钎焊间隙宽度对缓解残余应力的影响，Si3N4-TiN/钢接头采用(a) Incusil-ABA 钎料(b) 颗粒增强的Incusil-ABA 钎料(三明治布局) 的Si3N4-TiN/钢接头间隙宽度的影响Si3N4-TiN（30 wt%）与钢的连接（=1110-6/K）先进焊接与连接国家重点实验室State Key Lab of Advanced Welding and JoiningSi3N4-TiN/钢接头不同的残余应力缓解方法和得到的强度值中间层或恰当的钎料体系Si3N4-TiN（30 wt%）与钢的连接（=1110-6/K）先进