陶瓷基复合材料焊接技术研究进展

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页陶瓷基复合材料焊接技术研究发展摘要：对陶瓷基复合材料的焊接技术作了总体概述。系统总结了陶瓷基复合材料的可用焊接主意、工艺、焊接过程中易浮上的问题及对策，并对陶瓷基复合材料及其焊接技术的发展前景作了展望。关键词：陶瓷基复合材料；焊接；抗剪强度1.前言陶瓷基复合材料(CMC)是通过陶瓷基体中引入第二相增强材料，以现实增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。按照所用的集体材料，可分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等[1,3]。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。典型的玻璃基复合材料有cf/石英玻璃、Nicalon/LAS复合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是因为玻璃基的存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。氧化物基陶瓷的基体主要有：MgO,Al2O3,SiO2,ZrO2以及莫来石等，这些材料均不宜在高应力与高温环境中使用，因为Al2O3和ZrO2的抗热振性较差，SiO2易发生高温蠕变和相变，莫来石固然有较低的线膨胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能超过1200度。非氧化物陶瓷如Si3N4,SiC等，因为具有较高的强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而受到重视。2.陶瓷基复合材料焊接的普通特点陶瓷基复合材料焊接具有陶瓷焊接的一些特点。例如：陶瓷熔点高且高温分解，不能用熔焊主意举行焊接；大多数陶瓷不导电，不能利用电弧或电阻焊举行焊接；陶瓷脆性大、流塑性极差，难以利用压焊举行焊接；化学惰性大、不宜湿润，因为其钎焊也较为艰难。另外，陶瓷基复合材料焊接还有自身结构带来的一些问题。例如，焊接过程中基体材料与增强材料可能会发生不利的反应，造成增强物（纤维、晶须及颗粒）性能下降，因此焊接时光与温度普通不能太长或太高。陶瓷基体的状态影响焊接主意的挑选及焊接难易程度。例如，陶瓷粉末成型的工艺可得到两种显然不同的陶瓷状态，即未烧结状态和烧结状态。普通情况下，未烧结状态下粉末之间通过次级键结合，这种键结合是很弱的。未烧结态键合力弱的特点有利于陶瓷基复合材料的二次加工，因此，未烧结态陶瓷基复合材料的焊接比烧结（致密化）态的要容易。3.陶瓷基复合材料的焊接主意3.1.陶瓷基复合材料的钎焊无论是陶瓷基复合材料的自身钎焊，还是陶瓷基复合材料与金属之间的钎焊，其工艺均比金属材料的钎焊复杂得多。目前，常用钎料有两大类：金属钎料和玻璃钎料。利用金属钎料钎焊时通常称为金属钎焊法，利用玻璃钎料钎焊时通常称为玻璃钎焊法。3.1.1.金属钎焊金属钎焊主意广泛用于陶瓷基复合材料与金属材料的焊接，也可用于陶瓷基复合材料自身的焊接。钎焊的主要障碍是大多数金属都不湿润陶瓷表面。目前，陶瓷基复合材料表面金属化法和活性金属法能有效地解决这个难题。表面金属化法使陶瓷基体的表面金属化，例如，在陶瓷表面沉积—“薄层金属的钼-锰工艺”和“活性基底工艺”。因为熔化态的钎料实际上是与陶瓷表面的金属接触，衔接是在金属表面层或活性基底之间举行的，所以这些工艺主意实现起来相对照较容易。陶瓷基复合材料表面的金属化不仅可以用于改善非活性钎料对陶瓷基复合材料的润湿性，还可以在高温钎焊时保护陶瓷基复合材料不发生分解产生孔洞。活性金属法是在金属钎料中参加活性金属（例如Ti），利用活性元素在陶瓷中的机械渗透、蔓延及反应来改变陶瓷表面的状态，从而增强陶瓷与金属的相容性[4]。在钎焊过程中，Ti会熔化，并与陶瓷表面发生反应，形成可润湿的表面。活性元素对润湿性影响的研究无数[5,6]，大量研究证实活性元素参加量并不是越多越好，当活性元素含量低于某个值时，润湿性很差，之后随活性元素含量的增强润湿性增强，润湿性达到最大值后不再随活性元素含量的增强而发生变化，同时过量的活性元素还会使接头性能恶化。邹家生[7]等人研究了Si3N4陶瓷与金属的焊接，以Cu-Ni-Ti为钎料，研究发现，随温度和钎料中Ti含量的升高，Cu-Ni-Ti钎料在Si3N4陶瓷上的侵润角减小，而随钎料中Ni含量的增强，钎料侵润性变差。图一所示为Ag-Cu钎料中Ti的含量对润湿角的影响。Ag-Cu-2Ti钎料对SiC陶瓷的润湿机理如图2所示。Ti与SiC发生作用，生成TiC与Ti5Si3组成的反应层，而该反应层与液态Ag-Cu之间具有很小的界面能对于添加BeO助烧剂的SiC陶瓷基体，钎焊材料固然对它也具有较好的润湿性，但接头强度却有显然的下降，缘故是Ag-cu进入了TiC与SiC界面处，生成了Ag2Si和Ti5Si4等硅化物，如图2b所示，这些硅化物的强度很低，致使界面强度显著下降。BRiccardi等人[8]研究了以Si-25Ti和Si-29Cr作为钎料焊接SiC和SiC/SiC陶瓷基复合材料，分离在1330度和1305度下举行实验，得到了较好的焊接件，经过—等主意看见，发现焊缝接口形成了化学键，同时测得焊接接头的平均抗剪强度为70-80MPa，且受到焊接件表面粗糙度的影响。近年来陶瓷基复合材料的直接钎焊成为国内外研究的热点。直接钎焊技术可使陶瓷基复合材料构件的发明工艺变得容易，而且能满意陶瓷基复合材料高温状态使用的要求。直接钎焊陶瓷基复合材料的关键是使用活性钎料，在钎料能够润湿陶瓷基复合材料的前提下，还要考虑高温钎焊时陶瓷基复合材料与金属热膨胀差异而引起的裂纹，以及夹具定位等问题。3.1.2.玻璃钎焊陶瓷基复合材料的金属化钎焊法固然可以得到较高强度的接头，但难以满意抗碱金属腐蚀和抗热性的要求。而氧化物玻璃钎料可很好地解决这些问题。该钎料对于陶瓷基复合材料具有很好地润湿性，焊接成本低、工艺容易，而且可以一次将金属与陶瓷基复合材料焊接起来。由氧化铝和氮化硅为基本的氧化物和非氧化物增强的陶瓷基复合材料都可以利用这种钎料举行衔接。常用的玻璃钎料有:Al2O3-CaO-BaO-SrO,Al2O3-CaO-BaO-SrO-MgO-Y2O3及Al2O3-MnO-SiO2几种。利用玻璃钎料钎焊陶瓷基复合材料活性金属的工艺流程图如图3所示。MFerraris和MSalvo等人[9]用w(CaO)49.77%+w(Al2O3)50.23%的混合粉末作为钎料焊接SiC/SiC，钎焊温度为1500度在Ar气保护下焊接一小时，形成了无定形的3CaOAl2O3和12Cao7Al2O3晶相，同时测得钎焊接头的平均剪强度为28MPa3.2.陶瓷基复合材料的蔓延焊蔓延焊过程与陶瓷的固相烧结过程彻低相同，主要包括塑性变形、蔓延和蠕变，以及再结晶和晶粒长大等。因此这种主意异常相宜于陶瓷基复合材料自身的衔接以及陶瓷基复合材料与金属之间的衔接。蔓延焊主要优点在于：衔接强度高，尺寸容易控制，相宜于衔接异种材料。不足之处在于蔓延温度高、时光长，且设备昂贵、成本高，试件尺寸和形状受到限制。PHussain等[10]对Sialon陶瓷与铁素体和奥氏体不锈钢举行直接蔓延焊接。测试分析表明：因为材料之间的互相反应和蔓延，Sialon与铁素体钢之间形成了韧性很好地界面，从而缓和了Sialon与铁素体钢之间的热性能不匹配。而Sialon陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形成韧性层，因而Sialon与铁素体不锈钢的衔接比奥氏体不锈钢胜利得多。3.2.1.加中间层的蔓延焊蔓延焊时采用中间层是为了降低蔓延温度，减小压力和减小保温时光，以促进蔓延和去除杂质元素，同时也为了降低界面产生的残余应力。中间层可以以不同的形式参加，通常以粉末、箔状或通过金属化参加。研究者用Nb作中间层蔓延焊Sic-SUS304，保温时光过长后浮上了强度降低、线膨胀系数与Sic相差很大的NbSi2相，而使接头抗剪强度降低，如图4所示3.2.2.眨眼液相蔓延焊（1）利用非金属中间层焊接时将熔点减低的非金属中间层置于两块熔点相对较高的陶瓷基复合材料工件中间，将工件加热到中间层的熔化温度以上使其熔化，因低熔点材料进入，工件衔接表面开始熔化，并形成一种成分可变的合金。当中间层充足熔化后，合金中含高熔点组元的浓度增高，最后形成含高熔点材料的合金固溶衔接区。低熔点材料熔化时可填充间隙，靠表面张力把两块高熔点材料的表面结合在一起。用软化点较低的玻璃可实现对含硅酸盐键的陶瓷基复合材料瞬态，在玻璃熔化后，随着碱向玻璃或玻璃陶瓷基体的蔓延而使其黏度增大。焊接过程中产生结晶化，获得耐高温的衔接层。（2）利用金属中间层金属中间层为几种不同金属材料构成的复合中间层，普通是高熔点的金属或合金位于中间，而熔点较低的金属或合金位于两侧，焊接过程中，低熔点金属或合金熔化并润湿陶瓷，而高熔点的核心层消耗掉低熔点涂层，形成高熔点的合金或反应产物。这种焊接兼有蔓延焊和钎焊的优点，薄层液相的存在使其焊接过程类似钎焊，而核心中间层与液相反应生成高熔点的合金，使接头可用在很高的温度下。Greehut和VictorA等人[11]利用瞬态液相蔓延焊来衔接金属和陶瓷基复合材料，研究发现，在焊缝的金属组分和陶瓷组分之间，还会浮上少量难熔的金属基组分，形成夹层结构。3.3.陶瓷基复合材料的电子束焊电子束焊是利用高能密度的电子束轰击焊件，使其局部加热和熔化而实现焊接的主意。陶瓷基复合材料与金属真空电子束焊是一种很有效的焊接主意，真空有利于陶瓷基复合材料与活性金属的焊接，可获得良好的焊接气密性。电子束焊的焊接参数主要是：加速电压、电子束电流、工作距离、聚焦电流和焊接速度。陶瓷基复合材料与金属真空电子束焊接参数对接头质量影响很大，尤其对焊缝熔深和熔宽的影响越发敏感，这也是衡量电子束焊的重要指标。挑选合适的焊接参数可以使焊缝形状、强度、气密性等达到设计要求。焊接氧化铝陶瓷基复合材料时，挑选功率3千瓦，加速电压150千伏，最大的电子束电流为20毫安的焊接参数，可获得良好的焊接质量。3.4.陶瓷基复合材料的粘接粘接是陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属衔接的重要手段，这种主意同样相宜于陶瓷基复合材料的衔接以及陶瓷基复合材料与金属之间的衔接。胶接工艺包括：胶接件的表面处理、胶粘剂的决定、涂胶、贴合和胶层固化。3.4.1.表面处理陶瓷基复合材料的表面处理主意有机械法和化学处理法两种。机械法通过蒸汽脱脂或有机溶剂对于工件表面举行清洗，去除表面油污，然后用砂纸打磨。化学处理法是将工件用有机溶剂清洗后，侵泡于酸性溶液一定时光，最后举行干燥。3.4.2.胶粘剂可用于陶瓷基复合材料粘接的胶粘剂有两大类：有机胶粘剂和无机胶粘剂。有机胶粘剂主要包括环氧树脂胶粘剂和酚醛-缩醛胶粘剂两类，利用环氧树脂作为粘料、利用乙烯多胺等作为固化剂配制成的胶粘剂对于陶瓷及陶瓷基复合材料具有良好的粘接力，可室温固化，固化收缩小，尺寸稳定性好。在有机硅胶粘剂中，以聚有机硅氧烷及其改姓体为主要原料的耐热胶粘剂具有较好的耐热温度，但粘接强度较低。无机胶粘剂具有使用温度高的优点，但是操作性较差。常用的无机胶粘剂有磷酸-氧化铜胶粘剂、硅酸盐类胶粘剂和玻璃纸胶粘剂。其中，磷酸-氧化铜无机胶粘剂使用方便，可室温固化、高温性能好、粘接强度（尤其是套接强度）高，应用较为广泛。3.5．瓷基复合材料的其他衔接主意3.5.1．无压固相反应焊接在不加压力或加很小压力的条件下，通过中间层金属与陶瓷基体之间的化学反应将陶瓷基复合材料焊接起来。因为大部分陶瓷基复合材料的耐压性能较差，因此这种主意目前受到了重视[12]。中间层主要使用高熔点活性金属Ti和Zr，这些材料可焊接含C,SiC或Si的陶瓷基复合材料，Zr和Ti在固态下与C或SiC反应，形成Zr或Ti的碳化物和硅化物将陶瓷基复合材料焊接起来。总算固然可以形成致密的接头，但力学性能很差，基本不能承受载荷。因此，用Ti或Zr无压固相反应只能焊接不承受载荷但可以耐高温的致密接头。3.5.2.微波焊接用微波加热主意对陶瓷基复合材料举行固相焊接时，普通需要施加一定的压力。但是陶瓷基复合材料的耐压性能较差,因此在用微波加热焊接时通过对复合材料表面举行改性，解决不加压就可以实现焊接的问题。研究发现，对于云母片晶增强的玻璃陶瓷基复合材料，通过在研磨后的被焊表面旋压笼罩一层SiO2膜，经过200度干燥处理后，就可实现无压微波焊接。SAravindan和RKrishnamurthy[13]利用微波焊接衔接含30%氧化铝陶瓷复合材料，以硅酸钠玻璃粉末混合甘油作为中间层，迅速升温至1000度，中间层形成无定形的玻璃相，进而有效地焊接了Al2O3-ZrO24.陶瓷基复合材料焊接技术的展望因为陶瓷基复合材料具有更高的强度及更大的韧性，并且具有耐高温、耐氧化、强度耐腐蚀、弹性模量大等特点，所以在核工业以及电真空器件的生产中，陶瓷基复合材料的焊接占有异常重要的地位。异常是在航空航天领域，如飞机发动机、火箭、宇宙飞船以及宇宙空间站等，更是迫切需要开辟新型材料[14,17]。随着陶瓷基复合材料应用领用的不断扩大，对其焊接技术又有了新的要求，各国也逐渐加深了对陶瓷基复合材料焊接技术的研究，尤其是与金属材料的衔接问题成为研究的重点，这将极大地促进陶瓷基复合材料的研究、推广和应用，进而大大加快陶瓷基复合材料民用化的进程。参考文献[1]陈茂爱,陈俊华,高进强.复材料的焊接[M].北京:学工业出版社,2023年年[2]曾乐.现代焊接技术手册[M].上海:上海科学技术出版社,1993