陶瓷與金屬特種焊接技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

陶瓷與金屬特種焊接技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用姓名：魏禹班級：10731學(xué)號：17摘要:介紹了近年來發(fā)展的陶瓷與金屬的焊接技術(shù),并對其焊接工藝特點及應(yīng)用情況進行了分析與總結(jié)。關(guān)鍵詞：陶瓷，焊接陶瓷具有強度高、硬度高、彈性模量大、熱脹系數(shù)小、密度低、抗腐蝕及耐磨等優(yōu)良的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能,可望在航空、航天、軍工、核能、汽車及刀具制造等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但陶瓷的機械加工性能差、延性和沖擊韌度低、耐熱沖擊能力弱,因此不易制成大型形狀復(fù)雜的構(gòu)件,故其單獨使用受到了實際問題的挑戰(zhàn),而是必須通過焊接簡單陶瓷零件制造復(fù)雜構(gòu)件成為可能的制造途徑。為解決這一問題,世界各國學(xué)者和工程工作者在不斷探求陶瓷的焊接技術(shù),以期獲得兼具陶瓷和金屬各自優(yōu)異性能的陶瓷-金屬焊件。而且這一技術(shù)倍受人們的關(guān)注，已成為材料工程領(lǐng)域的熱點研究課題之一。金屬與陶瓷在化學(xué)鍵型、微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性能等方面存在較大差異,采用電弧焊或電阻焊不能獲得滿意的焊接接頭,生產(chǎn)中常用的是釬焊和擴散焊。但是隨著研究的不斷深入,又出現(xiàn)了許多新的方法,例如,激光焊、性原子束焊、超聲波焊、微波焊以及燃燒合成技術(shù)等。本文主要就近年來針對陶瓷與金屬焊接而開發(fā)的上述方法的焊接工藝特點和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。激光焊接陶瓷制品的激光焊接的主要困難是熱裂紋。這是因為陶瓷的彈性模量高,導(dǎo)熱能力低,在局部溫度效應(yīng)很高的情況下,導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生其傳統(tǒng)的解決辦法是對陶瓷工件進行預(yù)熱和調(diào)整激光束等措施。Mittweida公司的激光應(yīng)用中心開發(fā)了一種能夠規(guī)定應(yīng)力危險區(qū)加熱的方法,即用雙束激光進行陶瓷焊接,其原理如圖所示1。它是利用掃描器引入的C02激光束對材料加熱，要求在焊接過程能夠保證它與另一束光纖導(dǎo)入Nd:YAG一連續(xù)波激光束相連接。這種方法的優(yōu)點是能在幾秒鐘內(nèi)獲得可控的溫度場,并能在自由條件下進行加工,無需特殊處理［1］。用該方法焊接的Al2O3陶瓷試樣,試驗表明,激光焊接區(qū)細(xì)晶粒是均勻的,幾乎看不到什么變化。在電子顯微鏡下,可以看到晶粒呈片瓦結(jié)構(gòu),防止了裂紋的產(chǎn)生和擴展。經(jīng)100次反復(fù)加熱和冷卻的熱疲勞試驗,焊接試樣的抗彎強度并沒有明顯下降。目前已出現(xiàn)用二氧化碳激光裝置來焊接氧化鋁瓷、莫來石瓷和鎂橄欖石瓷等新型陶瓷。中性原子束焊接[2]中性原子束焊接方法是利用重型原子束照射金屬與陶瓷的接合面,使接合面的原子“活化”。清潔的物質(zhì)表面具有極佳的活性, 然而物質(zhì)表面往往沾有污物或者覆蓋著一層極薄的氧化膜,使其活性降低。該方法主要是對接合面照射氬等惰性氣體的1000~1800電子伏特的低能原子束,從表面除去20pm左右的薄層,使表面活化,然后加壓，利用表面優(yōu)異的反應(yīng)速度進行常溫狀態(tài)下的接合。此方法可用于氮化硅等高強度陶瓷或者高溫超導(dǎo)陶瓷與金屬的接合。另外,對于超大規(guī)模集成電路芯片與電路基板的接合也顯示出良好的效果。其接合強度可與以往的加熱接合相同,而且接合的電阻極小,接合效果甚佳。超聲波焊接這種方法主要用于鋁與陶瓷的焊接,它是通過超聲波振動和加壓實現(xiàn)常溫下結(jié)合的一種有效方法。其步驟是:(1)在金屬或者陶瓷的任何一方與接合面平行的方向給以超聲波振動并把該振動傳往另一方的接合面上;(2)加壓。日本ULtex公司開發(fā)了一種自動式超聲波陶瓷與金屬焊機,其波長為幾米到50m,振幅為數(shù)微米至50pm,頻率為20~40kHZ[3]。用此方法焊接鋁和各類陶瓷均獲得成功,而且接合時間僅需要數(shù)秒。由于此方法的接合能是利用了超聲波振動,因而設(shè)備較簡單,縮短了焊接時間,比一般常用焊接方法成本大幅度降低。微波焊接利用微波在高溫下焊接陶瓷,是近十幾年來迅速發(fā)展的一種新技術(shù)。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。微波焊接具有接頭強度高、升溫速度快、晶粒不會嚴(yán)重長大、晶界相元素分布比焊接前更均勻和溫度易于控制、能耗低等優(yōu)點。國內(nèi)外對它的研究很多。Meek等[4]最早開始微波焊接的研究工作,他們利用家用微波爐(littion151型,700W)實現(xiàn)了A1203薄片間的玻璃封接。Sato等用微波在短時間內(nèi)焊接了Mao陶瓷。微波焊接的溫度和壓力越高,接頭的抗彎強度越大。微波焊接后接頭的硬度比基體的硬度高，在溫度約1867°C、壓力0.5MPa下微波焊接4min,彎曲強度達最大值的70%。Sirbelglitt等[6]用單模和多模微波腔體焊接了陶瓷片。ZH0UJian等[7]成功地對Al203 -Al203 以及A1203和HAP生物陶瓷進行焊接。并借助電鏡、電子探針分析了界面結(jié)合情況。前者在壓力2MPa,1300C保溫15min時結(jié)合強度達到基體強度；后者在2.5MPa,1200C保溫15min左右成功將兩類材料焊接在一起。燃燒合成技術(shù)燃燒合成(CS)技術(shù),又稱為自蔓延高溫合成技術(shù),是前蘇聯(lián)化學(xué)物理研究所的科學(xué)家Merzhanov等人于1967年首先提出的[8]。CS焊接作為一種新型特種焊接工藝,目前基本處于試驗階段,國內(nèi)外對它的研究主要集中在異種難熔金屬、陶瓷和金屬間化合物焊接方面。日本學(xué)者Miyamoto[9]首次利用CS焊接技術(shù)實現(xiàn)了金屬Mo與TiC陶瓷的焊接。Rabin等[10]詳細(xì)研究了Sic陶瓷及纖維增強陶瓷焊接,采用Ti-C-Ni粉末作為焊料實現(xiàn)了SIC陶瓷的焊接。該體系在CS焊接過程中,不僅反應(yīng)生成TIC-Ni,而且由于TI、NI是活性比較強的元素,因此在界面處可以與陶瓷反應(yīng),提高接頭可靠性。在國內(nèi),李樹杰等[11]選擇在航空領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的SIC陶瓷,以鎳基高溫合金作為母材,以TiC-Ni-Al為焊料,利用Gleeble1500熱模擬機進行CS焊接試驗,并對CS焊接工藝、界面反應(yīng)及微觀結(jié)構(gòu)都做了較全面的分析。他們認(rèn)為連接機制有兩點:一是母材與焊料之間發(fā)生界面擴散而形成界面反應(yīng)層；二是焊料中的液相通過毛細(xì)滲透作用滲入SiC陶瓷的空隙中,冷卻后產(chǎn)生界面機械咬合作用。劉偉平等[12]則在常規(guī)真空擴散焊機上實現(xiàn)了陶瓷與陶瓷的CS焊接。綜合上述內(nèi)容：盡管陶瓷與金屬的焊接方法很多,但每種方法都有其自身的優(yōu)點和缺點,甚至有些方法還處于實驗研究階段,一時還難以實用化。但是隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,陶瓷與金屬的焊接技術(shù)必將得以完善和發(fā)展,同時還可能會出現(xiàn)新的焊接方法,這為陶瓷與金屬的焊接提供了堅實的基礎(chǔ)。參考文獻:CamG,KocakM.Progressinjoiningofadvancedmaterials[J].Internationalmaterialsreviews,1998,43(1):1-44.張貴鋒,張建勛.超細(xì)晶粒鋼制備工藝及機制與傳統(tǒng)控軋控冷(TMCP)鋼的異同[J].材料導(dǎo)報，2004,18(8):53-56.劉金合.高能密度焊[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1995.20-21.任家烈,吳愛萍. 先進材料的連接[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.1-8.李志遠(yuǎn),錢乙余,張九海.先進連接方法[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2000.PhillipsAL.Weldinghandbook,4thEdition,Section3:Spe-cialweldingprocessesandcutting[M].AmericanWeldingSo-ciety(Europeaned.Cleaver-HumePressLtd.,London),1960.PhillipsAL.Weldinghandbook,5thEdition,Section3:Spe-cialweldingprocessesandcutting[M].AmericanWeldingSo-ciety(Europeaned.Macmillan&Co,Ltd.,London),1965.WalterST. 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