材料连接技术8

材料连接技术

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

赵兴科课程编号：302706§2.2先进材料的连接技术铝及其合金的连接钛及其合金的连接金属基复合材料的连接陶瓷材料的连接熔焊扩散焊钎焊搅拌摩擦焊钎焊焊接温度较低，母材处于固态的状态下实现连接的，可以避免复合材料中的基体与增强相的高温反应。3钎焊钎焊简单易行，除真空钎焊外一般不需要特殊设备。在焊件尺寸、形状上方便灵活。被公认为是最适合复合材料焊接的方法。铝基基复合材料钎焊过程主要存在以下问题:(1)表面氧化膜的存在使得液体钎料难以在铺展。(2)铝易与增强体发生反应，在界面生成脆性化合物，大大降低接头的强度。(3)铝基复合材料熔点与钎料熔点很接近，钎焊过程温度控制精度要求高。(4)固态增强体影响钎料的流动铺展，影响钎焊过程的实现。(5)对于热处理强化铝合金为基体的复合材料，钎焊过程母材发生退火软化，焊后须进行强化热处理。搅拌摩擦焊采用纯机械化的固相连接技术。该连接方法在较低温度下实现铝基复合材料的焊接，避免了基体铝合金与增强相之间的化学反应；在搅拌头机械搅拌、挤压和摩擦热的共同作用下，焊缝区基体材料的晶粒和增强相被破碎并形成再结晶晶核，细化了组织结构，增强相分布也更加弥散。焊缝区的硬度值波动范围很小，抗拉强度比母材增加约20％。4搅拌摩擦焊实践证明，搅拌摩擦焊用于连接颗粒增强铝基复合材料具有明显的优势。§2.2先进材料的连接技术铝及其合金的连接钛及其合金的连接金属基复合材料的连接陶瓷材料的连接四、陶瓷材料的连接

（一）陶瓷材料概述陶瓷作为结构和介电材料巳获得许多近代工程应用。与金属材料相比，陶瓷具有：通常强度较好、刚性相近，但重量较轻。化学惰性好，尤其是耐高温、耐火和耐腐蚀。较低的导热性和热膨胀系数高的介电性。微波穿透性等。1陶瓷材料的作用与地位在航空、能源、电子、核、传输以及军事工业等领域，广泛应用于温度变化范围大的高温条件，诸如，发机部件、辐射热管、热交换器、换热器、坦克用涡轮发电机、校聚变反应堆等部件，炉衬、炉砖以及微电子工业用部件等。陶瓷脆性大，机加工困难，目前仅以简单形状的一次成型小件使用。陶瓷应用潜能的进一步释放，有赖于其可靠的连接技术。2陶瓷材料连接的分类按基材氧化铝、碳化硅、氧化锆等陶瓷材料的同种或异种、以及陶瓷与金属的连接。按加热方式电阻炉、微波炉、高能束等。按焊接材料直接连接、涂层连接、活性焊料连接。按连接过程固相连接、液相连接、反应连接。陶瓷的直接连接技术基于陶瓷材料中固有的玻璃相。多数陶瓷中含有残余玻璃，这些无定形材料保留在陶瓷晶体之间。当连接面梭加热到足够高的温度时，这种残余玻璃开始流动，并填充在连接件的孔隙中。焊接可以采用微波加热。（二）陶瓷材料的连接技术1直接连接技术纯度越低的陶瓷，所含玻璃态材料越多，形成的接触面越好；而且，这种陶瓷在加热前后产生的显微结构差异也较小。界面连接强度与连接加热温度有关，一般存在最佳的加热温度区间。对于Al2O3陶瓷材料来讲。最佳的温度区间大约为1600℃-1800℃。烧结助熔剂用于将多数结构陶瓷材料致密化。这些烧结结助熔剂通常同母体陶瓷起反应，但最终仍然维持着玻璃晶界相的微观特性，这种玻璃相可以用作陶瓷连接的焊料。与陶瓷具有良好的化学兼容性；良好的粘性、流动性；熔融特性能在很宽范围内加以控制。填充玻璃相2粘接烧结连接技术首先把碳质混合物放置到待连接区域，这些碳质混合物用夹具固定住，在1000～1200℃温度下烧结10~20min，使成为一体；然后把硅或硅合金以胶或黏合剂涂到待连接区周围，根据浸渗剂的类型在1250～1425℃温度之间对其进行加热10~15min，此时融熔硅或硅合金与碳反应，形成一定数量的碳化硅，从而实现连接。接头具有良好的机械强度和耐环境稳定性；可连接大尺寸部件和形状复杂部件；可方便调整接缝成分；可用来陶瓷及其复合材料的缺陷修复。溶胶-凝胶是一种广泛研究的化学衍生陶瓷涂层的制备工艺，在连接和修复中已显示出应用潜力。溶胶是亚微米级陶瓷成形胶体的悬浮液形式。溶胶的粘度可通过液相载体的蒸发调节，产生凝胶化并提供足够的粘着力。溶胶可刷涂、喷雾、浸渍或用其他方法涂覆。连接氧化铝陶瓷时，在接触面上涂刷氧化铝成形溶胶，1~2MPa压力压紧接触面，微波炉中加热固化。3溶胶-凝胶连接技术常用的固化温度范围为1600～l650℃，总加热时间约45~60min。固化温度和固化时间影响连接强度，最佳的连接强度可以与基材相等。溶胶-凝胶可以用来调制和连接柔性生坯陶瓷带，这种陶瓷带可用剪刀剪制成任意尺寸和形状，然后用微波固化成型。反应连接通过放热反应同时合成连接材料并使陶瓷工件结合在一起。首先将粉末反应剂，如元素Ti和C的混合物，在待连接表面涂一薄层；然后在压力下通过外部快速加热使之开始放热反应。强烈的放热反应引起接触面区域局部加热，从而相互作用而产生结合，在几秒钟内形成TiC型接头。这种连接接头的室温结合强度超过100MPa。4反应连接技术可用于各种各样的连接，包括陶瓷-陶瓷和陶瓷-金属的复合。反应连接的优点：可以使用一个局部外加热源如微波或激光。连接温度相对较低。由于可在相当低的温度下开始放热反应(如Ti和C粉，大约在1250

℃)，陶瓷的连接亦可在相当低的温度下完成，这对某些材料尤其重要，如SiC纤维增强的SiC复合材料，当加热超过1400℃上时性能将受到严重影响。5钎接技术陶瓷的化学稳定性好，通常情况下液态金属难以在其表面浸润和铺展。陶瓷焊接件的一个主要考虑因素是需改善焊接材料对陶瓷表面的浸润性。提高陶瓷表面浸润性的途径：陶瓷表面金属化改性；使用活性元素焊料。烧结金属粉末法或钼锰(Mo-Mn)法；熏蒸金属法。陶瓷表面金属化改性焊接氧化铝陶瓷最普遍使用的方法。这种方法的基本特征要追溯到二十世纪三十年代，而在五十年代，经改进而成为今天所采用的金属化工艺方法。用金属粉或金属氧化物粉涂复在陶瓷表面上，随后在高温条件下进行烧结。钼锰(Mo-Mn)法以Mo-Mn法金属化了的氧化铝陶瓷表面能用一些金属合金焊料进行焊接，这些合金焊料包括BAg-s、BAu-l和BAu-4等。Mo-Mn金属化表面镍处理可以进一步改善性能。借助等离子溅射或高能束蒸发，在陶瓷待连接表面沉积厚度约几微米金属涂层。该涂层或者将陶瓷与液体金属焊料相隔开，以避免它们直接接触；或者涂层与陶瓷相互反应，以促进液体金属的铺展。熏蒸金属法液态金属中若存在能形成比陶瓷相更稳定的更稳定的其它氧化物元素（活性元素）时。借助此氧化物能将液态金属吸住，提高金属液体的浸润性。钛和锆是已知并常用的活性元素，含有这类元素的焊料成为活性焊料。可有效地改善对氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷的浸润性。使用活性元素焊料陶瓷是脆性材料，甚至在非常高的温度下都没有延展性，易于产生焊接裂纹。陶瓷材料性难熔，氧化铝在熔化温度时有相当高的蒸汽压，导致熔融区的孔隙度过大；碳化硅、氮化硅等在高温下升华而不熔化。6熔焊技术熔焊技术通常不适用于陶瓷的连接，原因在于：有关陶瓷熔焊的文献不多，也有成功的报道。碳化钽陶瓷、硼化锆陶瓷自连接、互连接，以及硼化锆陶瓷与金属钽连接都可以采用熔焊技术。焊接前预热到高温，焊后缓慢地冷却下。连接强度为100~400MPa。除非在很高的温度下外，陶瓷材料很难变形；另外陶瓷的固有扩散能力很差，这决定了陶瓷的扩散焊比金属更难以进行。采用细晶粒的陶瓷以及采用预置金属焊料的办法，均可降低加工温度、压力或缩短加工时间，提高陶瓷的扩散焊性。7扩散焊接技术两个粗颗粒(尺寸约18㎛)陶瓷连接时，因表面不易发生蠕动变形，连接表面处很难形成紧密接触。对于粗颗粒陶瓷同细颗粒陶瓷(尺寸约1㎛)的连接时，细颗粒陶瓷的变形足以保证良好接触，扩散焊接得以顺利进行。此情况下要完成扩散焊接，尚需要1700℃的高温。陶瓷颗粒度陶瓷与金属扩散焊接很少采用扩散焊连接，因为金属通常不能耐此高温。陶瓷与陶瓷的扩散焊可以采用预置金属箔的办法，依靠金属箔的变形增大陶瓷表面的接触。Al、Cu、Fe、Ni、Pb和Pt金属箔已用于多晶和单晶氧化铝陶瓷扩散焊，在氩气气氛中加热约0.9Tm，保温20分钟。连接强度与金属熔点呈线性关系。连接件能经受从室温到连接温度的热循环冲击。预置金属焊料氧化铝陶瓷连接强度与预置金属熔点的关系微波能焊接依赖于使用微波能使陶瓷材料升高到足够高的温度，以完成部件的焊接。能使用微波能来迅速地加热材料。这项技术似乎很适合加工各种陶瓷，包括其焊接件