陶瓷基復(fù)合材料與金屬焊接研究現(xiàn)狀

1、焊接技術(shù)第36卷第4期2007年8月收稿日期:2007-01-15;修回日期:2006-06-15基金項目:山東省優(yōu)秀中青年基金資助項目(2006BS040041引言現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,要求材料能在各種茍刻的環(huán)境下可靠地工作。用粒子、晶須或纖維增韌增強的陶瓷基復(fù)合材料(ceramic matrix composite ,簡稱CMC 是目前備受重視的新型結(jié)構(gòu)材料,具有高強度、高耐磨、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良性能,在航空航天、機械、汽車、冶金、化工、電子等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但陶瓷材料固有的硬度和脆性使其難以加工、難以制成大型或形狀復(fù)雜的構(gòu)件,因而在工程應(yīng)用上受到了很大限制。解決其實用化的最好方法之一

2、是將其與塑性及韌性高且抗溫度沖擊能力強的金屬材料連接起來制成復(fù)合構(gòu)件使用,充分發(fā)揮2種材料的性能優(yōu)勢,彌補各自的不足。Al 2O 3,Zr 2O ,Si 3N 4,SiC 等單相陶瓷與金屬的連接技術(shù)已有了較大進展,但CMC 是由多種不同物質(zhì)組合而成的多相材料,在連接CMC 與金屬時,除考慮單相陶瓷與金屬的連接問題,還應(yīng)同時考慮連接方法與材料對基體材料和加強材料的適應(yīng)性,還應(yīng)考慮避免加強相與基體之間的不利反應(yīng)以及不能造成加強相(如纖維的氧化與性能的降低等1,因此復(fù)合陶瓷與金屬的連接更加困難。本文在綜述單相陶瓷/金屬焊接現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對陶瓷基復(fù)合材料/金屬的焊接現(xiàn)狀進行了分析。2陶瓷/金屬的焊接方法

3、陶瓷/金屬連接研究發(fā)展到今天,已經(jīng)有很多連接方法,主要有:粘合劑粘接;機械連接;自蔓延高溫合成連接;熔焊;釬焊;擴散焊等。2.1釬焊釬焊是陶瓷/金屬連接最常用的方法之一,其原理是利用陶瓷與金屬母材之間的釬料在高溫下熔化,其中的活性組元與陶瓷原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成穩(wěn)定的反應(yīng)梯度層使2種材料結(jié)合在一起。陶瓷/金屬釬焊一般分為間接釬焊和直接釬焊。間接釬焊(也稱兩步法是先在陶瓷表面進行金屬化,再用普通釬料進行釬焊。進行陶瓷預(yù)金屬化的方法最常用的是Mo-Mn 法,此外還有物理氣相沉淀(PVD、化學(xué)氣相沉積(CVD、熱噴涂法以及離子注入法等。間接釬焊連接工藝復(fù)雜,其應(yīng)用受到了一定限制。直接釬焊法(也稱一步

4、法又叫活性金屬釬焊法,是在釬料中加入活性元素,如過渡金屬Ti ,Zr ,Hf ,Nb ,Ta 等,通過化學(xué)反應(yīng)使陶瓷表面發(fā)生分解,形成反應(yīng)層。反應(yīng)層主要由金屬與陶瓷的化合物組成,這些產(chǎn)物大部分情況下表現(xiàn)出與金屬相同的結(jié)構(gòu),因此可以被熔化的金屬潤濕。直接釬焊法可使陶瓷構(gòu)件的制造工藝變得簡單,成為近年來國內(nèi)外研究的熱門24。直接釬焊陶瓷的關(guān)鍵是使用活性釬料,在釬料能夠潤濕陶瓷的前提下,還要考慮高溫釬焊時陶瓷與金屬熱膨脹差異會引起裂紋。在陶瓷和金屬之間插入中間緩沖層可有效降低殘余應(yīng)力,提高接頭強度。直接釬焊的局限性在于接頭的高溫強度較低及大面積釬焊時釬料的鋪展問題。2.2擴散焊擴散焊是陶瓷/金屬連接

5、最常用的另一種方法,是指在一定的溫度和壓力下,被連接表面相互靠近、相互接觸,通過使局部發(fā)生塑性變形,或通過被連接表面產(chǎn)生的瞬態(tài)液相而擴大被連接表面的物理接觸,然后結(jié)合層原子間相互擴散而形成整體可靠連接的過程。其顯著特點是接頭質(zhì)量穩(wěn)定、連接強度高、接頭高溫性能和耐腐蝕性能好。根據(jù)被焊材料的結(jié)合及加壓方式,擴散焊可分為固相擴散焊和瞬間液相擴散焊(Transient liquid phase bonding,簡稱TLPB 等。固相擴散焊中,連接溫度、壓力、時間及焊接表面狀態(tài)是陶瓷基復(fù)合材料/金屬焊接研究現(xiàn)狀沈孝芹1,2,李亞江1,王娟1,黃萬群1(1.山東大學(xué)材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及其遺傳性教育部重點實驗室,

6、山東濟南250061;2.山東建筑大學(xué)機電學(xué)院,山東濟南250101摘要:由于用粒子、晶須或纖維增韌的陶瓷基復(fù)合材料具有良好的耐磨和耐腐蝕性,是目前備受重視的新型結(jié)構(gòu)材料,用焊接的方法將其與金屬焊接制成復(fù)合構(gòu)件可推廣應(yīng)用。介紹了陶瓷/金屬常用焊接方法的特點及連接機理,著重討論了釬焊和擴散焊方法,并對陶瓷基復(fù)合材料/金屬的焊接研究現(xiàn)狀進行了分析。關(guān)鍵詞:陶瓷基復(fù)合材料;金屬;焊接中圖分類號:TG44;TB333文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002-025X (200704-0008-04專題綜述8影響擴散焊接的主要因素。固相擴散連接中界面的結(jié)合是靠塑性變形、擴散和蠕變機制實現(xiàn)的,其連接溫度較高,陶瓷

7、/金屬固相擴散連接溫度通常為金屬熔點的0.9倍,由于陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配,易在界面附近產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力,很難實現(xiàn)直接固相擴散連接5,6。為緩解陶瓷與金屬接頭殘余應(yīng)力以及控制界面反應(yīng),抑制或改變界面反應(yīng)產(chǎn)物以提高接頭性能,常采用中間層7,8。瞬間液相擴散焊(TLPB結(jié)合了釬焊和固相擴散焊的優(yōu)點,既能降低連接溫度,又能提高接頭的使用溫度。其原理是在母材與中間層之間形成低熔點液相,然后通過溶質(zhì)原子的擴散發(fā)生等溫凝固,形成組織均勻的焊縫接頭。近幾年已有人將瞬間液相擴散連接應(yīng)用到陶瓷與陶瓷或金屬的連接中9,10。鄒貴生等對Si3N4陶瓷TLP連接接頭形成過程、中間層設(shè)計、連接溫度和壓力

8、等對接頭形成的影響、連接機理等進行了深入系列的研究11,12。部分瞬間液相擴散連接方法(PTLP Bonding是Iino Y于1990年提出的,該方法借助多層中間層,通過低熔點金屬層的熔化或?qū)娱g材料的相互擴散和反應(yīng)形成局部液相區(qū),隨后液相區(qū)發(fā)生等溫凝固和固相成分均勻化。目前已報道的用于PTLP連接的中間層材料主要有:Ti/Ni/Ti,Cu/Ni-20%Cr/ Cu(質(zhì)量分數(shù),Cu/Ni/Cu,Au/Ni-22%Cr/Au(質(zhì)量分數(shù), CuTi/Pd/CuTi,Cu/TiCu,Ti/Cu/Ni/Cu/Ti等13。華東船舶工業(yè)學(xué)院的陳錚等還進行了用非活性金屬FeNi/Cu連接Si3N4陶瓷的研究

9、14。2.3熔焊陶瓷和金屬的連接采用一般的熔焊方法比較困難,主要表現(xiàn)在如下幾個方面:(1熱應(yīng)力和熱沖擊等問題嚴重,集中加熱易產(chǎn)生裂紋;(2某些陶瓷如Si3N4熔化前將升華或分解,而MgO等熔化時迅速蒸發(fā),常壓下無法熔焊;(3多數(shù)陶瓷導(dǎo)電性差,電阻焊法難以應(yīng)用。目前,陶瓷/金屬的熔焊主要是激光熔焊和電子束焊15。采用高能電子束連接陶瓷和高熔點金屬(如Mo,Pt是利用高能電子束加熱速度快和金屬材料相對于陶瓷材料比熱容低的特點,在陶瓷不分解和熔化的條件下使金屬熔化并形成連接。采用這2種連接方法雖然速度快,效率高,可以制造高溫下穩(wěn)定的連接接頭,但是為了降低連接應(yīng)力,防止裂紋的產(chǎn)生,必須采用輔助熱源進行

10、預(yù)熱和緩冷,而且工藝參數(shù)難以控制,設(shè)備投資昂貴。3陶瓷/金屬連接界面反應(yīng)及接頭性能研究陶瓷和金屬在界面間存在著原子結(jié)構(gòu)能級的差異,陶瓷與金屬之間是通過過渡層(擴散層或反應(yīng)層而焊合的,2種材料間的界面焊合反應(yīng)對接頭的形成和性能有極大的影響。而且陶瓷和金屬的線膨脹系數(shù)和彈性模量差別很大,在焊接加熱和冷卻的過程中,接頭界面附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力,一般在焊接接頭的陶瓷側(cè)產(chǎn)生裂紋并引發(fā)斷裂16。近年來,國內(nèi)外科技工作者為解決這2大難題進行了不懈的努力。馮吉才等人采用BAg45CuZn釬料對TiC金屬陶瓷與中碳鋼進行了真空釬焊連接,結(jié)果表明,利用BAg45CuZn釬料可實現(xiàn)TiC金屬陶瓷與中碳鋼的

11、連接,接頭的界面結(jié)構(gòu)為TiC金屬陶瓷/(Cu,Ni固溶體/Ag基固溶體+Cu基固溶體/(Cu,Ni固溶體/ (Cu,Ni+(Fe,Ni/中碳鋼4。文獻17用Al/Cu/Ti復(fù)合層作連接材料,通過連接溫度下原位生成金屬間化合物真空連接Si3N4陶瓷,結(jié)果表明,當(dāng)原位生成的連接層金屬組織為Al3Ti/Ti/Al3Ti 時,由于純金屬間化合物Al3Ti脆性大,且其與剩余Ti片的結(jié)合強度低,陶瓷接頭強度低;當(dāng)連接層金屬組織為大量Al3Ti顆粒加少量Al基固溶體時,連接層金屬能獲得良好的強化效果。顧怡紅等人用真空擴散焊法連接Ti6Al4V/Al2O3,分析表明,在800時擴散焊界面上沒有顯著的化學(xué)反應(yīng),

12、隨著溫度的提高,界面上Ti6Al4V/Al2O3反應(yīng)生成TiAl,Ti2Al,Ti3Al與Ti組成的脆性混合過渡層,反應(yīng)產(chǎn)物的存在使基體金屬脆化并影響界面附近的殘余應(yīng)力分布18。劉偉平等人采用掃描和透射電鏡、能譜分析、X射線衍射等研究了Nb膜中間層對單晶Cu與單晶-Al2O3的擴散焊接特性以及接頭組織和性能的影響。結(jié)果表明,通過電子束蒸鍍獲得的多晶Nb膜中間層擴散焊后具有織構(gòu)組織,其密排面(110(0001A l2O3基面。Nb膜中間層的加入顯著提高了Cu/-Al2O3擴散焊接頭的斷裂能量。透射電鏡觀察表明,在Cu/-Al2O3擴散焊接頭的界面附近存在大量位錯19。文獻20用AISI304,3

13、16, 3213種不銹鋼做中間層擴散連接熱壓Si3N4陶瓷,連接溫度1100,保溫時間120min,結(jié)果表明,界面形成了7m的反應(yīng)過渡區(qū),界面結(jié)構(gòu)有Cr2N,Fe x Si y和-Fe。當(dāng)用含Mo不銹鋼AISI316作中間層時,反應(yīng)產(chǎn)物中還出現(xiàn)了Mo3Si。陶瓷與金屬連接接頭性能研究目前主要研究方法有3點或4點彎曲試驗、剪切試驗、拉伸試驗及X射線衍射儀測量殘余應(yīng)力等。鄒貴生等人研究了Ti/Ni/Ti復(fù)合層TLP擴散連接Si3N4陶瓷,結(jié)果表明,連接時間、連接溫度、連接壓力及Ti和Ni的厚度影響接頭組織和強度,其最佳值分別為60min,1050,2.5MPa,20m和400m,所得接頭室溫和80

14、0時的抗剪強度分別為142MPa和61MPa20。J H Kim等人對Si3N4/Cu/ S45C真空釬焊獲得的試樣進行4點彎曲試驗的結(jié)果表明,抗彎強度依賴于連接過程中的殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力導(dǎo)致陶瓷側(cè)出現(xiàn)微裂紋21。雷永平等人用微區(qū)X射線衍射儀測量了陶瓷/金屬接頭陶瓷表面離邊緣0.2mm處的殘余應(yīng)力的大小和分布,結(jié)果表明在陶專題綜述9焊接技術(shù)第36卷第4期2007年8月瓷側(cè)的外表面靠近界面的地方存在著最大的軸向拉應(yīng)力,釬料層較厚時,接頭殘余應(yīng)力值較高22。Blugan G等人用活性金屬釬焊法焊接了w(TiN30%增強的Si3N4陶瓷與14NiCr14鋼,用(CuSnTiZr+Incusil15雙

15、層釬料焊接的接頭平均抗彎強度大約為400MPa,最大抗彎強度達474MPa23。文獻24認為Si3N4/ Al擴散連接界面的斷裂機制為脆性剝離。4陶瓷基復(fù)合材料/金屬焊接研究現(xiàn)狀陶瓷基復(fù)合材料屬于正在發(fā)展的新型材料,因此關(guān)于其焊接技術(shù)的研究還開展得相對較少,尤其是陶瓷基復(fù)合材料/金屬異種材料的連接更是少有報道。目前陶瓷基復(fù)合材料的焊接方法主要有釬焊、微波連接、原位或自蔓延高溫合成方法連接、無壓固相反應(yīng)連接等25。陶瓷基復(fù)合材料/金屬的釬焊與陶瓷/金屬釬焊基本相同。文獻26選用Cu-Zn釬料在大氣中釬焊Al2O3基復(fù)合陶瓷與45鋼,研究認為其最佳連接工藝參數(shù)為:雙層陶瓷復(fù)合材料預(yù)熱溫度850,4

16、5鋼預(yù)熱溫度300左右,釬焊溫度9501000,連接時間為180s,然后將焊件放入原預(yù)熱爐內(nèi),隨爐緩冷,界面抗剪強度可達92MPa。周飛等人在Ar氣保護下用0.3 mm的Al箔連接TiC顆粒增強Si3N4復(fù)相陶瓷表明,當(dāng)連接壓力為0.16MPa時,其最佳工藝參數(shù)為1000,保溫30min,抗彎強度可達327.5MPa。根據(jù)界面微觀分析,在Si3N4基復(fù)相陶瓷/ Al之間形成Si3N4基復(fù)相陶瓷/AlN/Al-Si/Al的梯度層結(jié)合界面。由于TiC與Al難以發(fā)生反應(yīng),在連接過程中,TiC幾乎保持原狀27。文獻28還用有限元法對SiC w/Al2O3復(fù)合陶瓷/金屬釬焊反應(yīng)層界面熱應(yīng)力進行了計算。結(jié)

17、果表明,復(fù)合陶瓷/反應(yīng)層界面的殘余應(yīng)力變化急劇,最大拉應(yīng)力位于晶須、基體和反應(yīng)層的交接處;晶須內(nèi)部及其表面存在較高的雙向壓應(yīng)力, Al2O3基體主要承受垂直于界面的拉應(yīng)力;SiC晶須/反應(yīng)層界面及其附近的反應(yīng)產(chǎn)物TiC內(nèi)部具有較高的平行于界面的拉應(yīng)力,當(dāng)連接界面承受剪應(yīng)力作用時,SiC晶須/反應(yīng)層界面和TiC處極易破壞。微波焊接是利用微波電磁場與材料的相互作用,使電介質(zhì)在交變電場的作用下產(chǎn)生極化和損耗,從而完成焊接。用微波加熱方法固相連接陶瓷材料時,一般要加壓。但CMC材料的耐壓性能差,因此在用微波加熱連接時要解決不加壓就可以實現(xiàn)連接的問題。Aravindan S等人用NaSi玻璃粉末作中間層

18、材料不加壓微波加熱焊接了Al2O3-ZrO2復(fù)合陶瓷,連接溫度1000左右。3點彎曲試驗表明,接頭強度為28MPa29。文獻30提出了一種原位生成AlCu2Ti半固態(tài)連接Si3N4-TiC 復(fù)相陶瓷的工藝,用Ag-Cu-Ti-Ti-Al-Ti-Ag-Cu-Ti做中間層,在溫度為1023K時,保溫30min,然后快速升溫至1173K并保溫10min,真空度約為3.5MPa,并施加一定的壓力。釬縫中原位生成了直徑為十幾m的AlCu2Ti金屬間化合物增強相, AlCu2Ti顆粒比較均勻地分布在Ag-Cu共晶基體中。5結(jié)論釬焊和擴散焊是目前陶瓷/金屬主要的焊接方法,此外還有熔焊、自蔓延高溫合成連接、場

19、致擴散焊接、摩擦焊、粘合劑粘接、機械連接等多種連接方法。陶瓷基復(fù)合材料是新型結(jié)構(gòu)材料,其焊接方法主要有釬焊、微波連接、原位或自蔓延高溫合成方法連接等。但陶瓷基復(fù)合材料/金屬異種材料的連接報道較少,是未來焊接領(lǐng)域的一個重要的研究方向。參考文獻:1任家烈,吳愛萍.先進材料的連接M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.2Akeselen OM.Review:advances in brazing of ceramicsJ.Journal ofMaterials Science,1992,27(8:1989-2000.3吳愛萍,鄒貴生,任家烈.先進結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展及其釬焊連接技術(shù)的進展J.材料科學(xué)與工程,2

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29、15.作者簡介:沈孝芹(1974,女,講師,在讀博士研究生,主要研究方向為新材料及特種焊接技術(shù).1概述塊體非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃,是目前材料科學(xué)中廣泛研究的一個新領(lǐng)域,也是一種發(fā)展迅速的重要的新型材料。金屬玻璃的結(jié)構(gòu)在原子尺度上不同于普通的晶體金屬材料,而是類似于液態(tài)金屬,原子排列沒有周期性長程有序,僅為短程有序,亦沒有位錯、晶界等晶體材料中常見的點陣缺陷。從原理上說,如果能夠使合金熔體冷卻過程中的結(jié)晶受到抑制,將其過冷至玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下,過冷液體便因黏度突變而凍結(jié)為液態(tài)結(jié)構(gòu)的“金屬玻璃”固體。非晶態(tài)合金獨特的結(jié)構(gòu)使其在機械、力學(xué)、化學(xué)、物理性能等方面優(yōu)于晶態(tài)合金;塊體非晶合金不僅具有較高的強

30、度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性,而且在試驗中還表現(xiàn)出優(yōu)良的軟磁性能、儲氫能力、超導(dǎo)能力和低磁損耗等特性。目前已有報道稱,具有高的玻璃形成能力的塊體非晶合金可以通過簡單的熔體水淬或銅模鑄造工藝以較低的冷卻速率(1100K/s 冷卻而制得,厚度能達到cm 級1;最近,在Mg 基塊體非晶合金的制備上又取得巨大的進步,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家實驗室的徐堅與美國約翰霍普金文章編號:1002-025X (200704-0011-03收稿日期:2006-06-23基金項目:江西省材料科學(xué)和工程研究中心資助項目(ZX200401004摩擦焊焊接塊體非晶合金王麗1,熊建鋼1,李波1,李志遠1,邢麗2(1

31、.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074;2.南昌航空工業(yè)學(xué)院,江西南昌330063摘要:在合理的工藝條件下,采用摩擦焊成功地實現(xiàn)了塊體非晶合金Zr 65Cu 12.5Al 7.5Ni 15的連接;根據(jù)試驗結(jié)果,探討了焊接接頭保持非晶的條件,即:被焊塊體非晶合金處于過冷液態(tài),且該過冷液體具有較好的熱穩(wěn)定性、超塑性和粘滯性,同時接觸面的溫度應(yīng)始終低于該非晶合金的晶化溫度。關(guān)鍵詞:摩擦焊;塊體非晶合金;過冷液態(tài);超塑性;粘滯性中圖分類號:TG457.19;TG453.9文獻標(biāo)識碼:A!MAIN TOPICS,ABSTRACTS&KEY WORDSWelding study s

32、tatus quo of ceramic matrix composite and metalSHEN Xiao-qin,LI Ya-jiang,WANG Juan,et al.(Ministry of Education,Key Lab of Liquid Structure and Heredity of Materials,Shandong University,Jinan250061,Shandong pro., ChinaP8-11Abstract:Ceramic matrix composites(CMCenhanced by particles,crystal whiskers

33、or fibres are new-type constructional materials, which are paid much attention to at present because of good wear resistance and corrosion resistance.It can extend the application of CMC by joining CMC and metal to compound structures.This paper introduces the characteristic and joining mechanism of

34、 the common welding methods of ceramic and metal,especially the brazing and diffusion bonding.And the welding study status quo of CMC and metal is also summarized.Key words:ceramic matrix composite,metal,weldingThe friction welding of bulk metallic glassesWANG Li,XIONG Jian-gang,LI Bo,et al.(Huazhon

35、g University of Science and Technology,Wuhan430074,Hubei pro.,ChinaP11-13Abstract:Bulk metal glasses(BMGsof Zr65Cu12.5A l7.5Ni15have been successfully welded to each other using friction welding in the reasonable technologic conditions.According to the result,the joint which will be avoided crystall

36、izing should be in supercooled liquid with good thermal stabilization,superplasticity and viscous flow,at the same time,the temperature of the joint should always be under the crystallization temperature of the BMG.S.Key words:friction welding,bulk metallic glasses,supercooled liquid,superplasticity

37、,viscous flowRealization of realtime correcting of arc robot welding process controlling parameterLI Xiang,LI Liang-yu,LI Feng,et al.(School of Mech.&Eletro.Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin300160,ChinaP14-16Abstract:Based on the sensing technic of robot,ARC Mate100iB robot of F

38、ANUC company was applied to realize program controlling and correcting of welding position,welding speed and wire feed speed of welding machine in the process of robot welding.FANUC ROBOT INTERFACE was re-exploited.A number of system variables and registers in controller were used and controlled by VB program on the PC, which were combined with teach pendant program and executed w