材料連接技術(shù)8

材料連接技術(shù)

MaterialsWeldingandJoiningTechniques

趙興科課程編號：302706§2.2先進材料的連接技術(shù)鋁及其合金的連接鈦及其合金的連接金屬基復(fù)合材料的連接陶瓷材料的連接熔焊擴散焊釬焊攪拌摩擦焊釬焊焊接溫度較低，母材處于固態(tài)的狀態(tài)下實現(xiàn)連接的，可以避免復(fù)合材料中的基體與增強相的高溫反應(yīng)。3釬焊釬焊簡單易行，除真空釬焊外一般不需要特殊設(shè)備。在焊件尺寸、形狀上方便靈活。被公認(rèn)為是最適合復(fù)合材料焊接的方法。鋁基基復(fù)合材料釬焊過程主要存在以下問題:(1)表面氧化膜的存在使得液體釬料難以在鋪展。(2)鋁易與增強體發(fā)生反應(yīng)，在界面生成脆性化合物，大大降低接頭的強度。(3)鋁基復(fù)合材料熔點與釬料熔點很接近，釬焊過程溫度控制精度要求高。(4)固態(tài)增強體影響釬料的流動鋪展，影響釬焊過程的實現(xiàn)。(5)對于熱處理強化鋁合金為基體的復(fù)合材料，釬焊過程母材發(fā)生退火軟化，焊后須進行強化熱處理。攪拌摩擦焊采用純機械化的固相連接技術(shù)。該連接方法在較低溫度下實現(xiàn)鋁基復(fù)合材料的焊接，避免了基體鋁合金與增強相之間的化學(xué)反應(yīng)；在攪拌頭機械攪拌、擠壓和摩擦熱的共同作用下，焊縫區(qū)基體材料的晶粒和增強相被破碎并形成再結(jié)晶晶核，細化了組織結(jié)構(gòu)，增強相分布也更加彌散。焊縫區(qū)的硬度值波動范圍很小，抗拉強度比母材增加約20％。4攪拌摩擦焊實踐證明，攪拌摩擦焊用于連接顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)勢?！?.2先進材料的連接技術(shù)鋁及其合金的連接鈦及其合金的連接金屬基復(fù)合材料的連接陶瓷材料的連接四、陶瓷材料的連接

（一）陶瓷材料概述陶瓷作為結(jié)構(gòu)和介電材料巳獲得許多近代工程應(yīng)用。與金屬材料相比，陶瓷具有：通常強度較好、剛性相近，但重量較輕?；瘜W(xué)惰性好，尤其是耐高溫、耐火和耐腐蝕。較低的導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)高的介電性。微波穿透性等。1陶瓷材料的作用與地位在航空、能源、電子、核、傳輸以及軍事工業(yè)等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于溫度變化范圍大的高溫條件，諸如，發(fā)機部件、輻射熱管、熱交換器、換熱器、坦克用渦輪發(fā)電機、校聚變反應(yīng)堆等部件，爐襯、爐磚以及微電子工業(yè)用部件等。陶瓷脆性大，機加工困難，目前僅以簡單形狀的一次成型小件使用。陶瓷應(yīng)用潛能的進一步釋放，有賴于其可靠的連接技術(shù)。2陶瓷材料連接的分類按基材氧化鋁、碳化硅、氧化鋯等陶瓷材料的同種或異種、以及陶瓷與金屬的連接。按加熱方式電阻爐、微波爐、高能束等。按焊接材料直接連接、涂層連接、活性焊料連接。按連接過程固相連接、液相連接、反應(yīng)連接。陶瓷的直接連接技術(shù)基于陶瓷材料中固有的玻璃相。多數(shù)陶瓷中含有殘余玻璃，這些無定形材料保留在陶瓷晶體之間。當(dāng)連接面梭加熱到足夠高的溫度時，這種殘余玻璃開始流動，并填充在連接件的孔隙中。焊接可以采用微波加熱。（二）陶瓷材料的連接技術(shù)1直接連接技術(shù)純度越低的陶瓷，所含玻璃態(tài)材料越多，形成的接觸面越好；而且，這種陶瓷在加熱前后產(chǎn)生的顯微結(jié)構(gòu)差異也較小。界面連接強度與連接加熱溫度有關(guān)，一般存在最佳的加熱溫度區(qū)間。對于Al2O3陶瓷材料來講。最佳的溫度區(qū)間大約為1600℃-1800℃。燒結(jié)助熔劑用于將多數(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷材料致密化。這些燒結(jié)結(jié)助熔劑通常同母體陶瓷起反應(yīng)，但最終仍然維持著玻璃晶界相的微觀特性，這種玻璃相可以用作陶瓷連接的焊料。與陶瓷具有良好的化學(xué)兼容性；良好的粘性、流動性；熔融特性能在很寬范圍內(nèi)加以控制。填充玻璃相2粘接燒結(jié)連接技術(shù)首先把碳質(zhì)混合物放置到待連接區(qū)域，這些碳質(zhì)混合物用夾具固定住，在1000～1200℃溫度下燒結(jié)10~20min，使成為一體；然后把硅或硅合金以膠或黏合劑涂到待連接區(qū)周圍，根據(jù)浸滲劑的類型在1250～1425℃溫度之間對其進行加熱10~15min，此時融熔硅或硅合金與碳反應(yīng)，形成一定數(shù)量的碳化硅，從而實現(xiàn)連接。接頭具有良好的機械強度和耐環(huán)境穩(wěn)定性；可連接大尺寸部件和形狀復(fù)雜部件；可方便調(diào)整接縫成分；可用來陶瓷及其復(fù)合材料的缺陷修復(fù)。溶膠-凝膠是一種廣泛研究的化學(xué)衍生陶瓷涂層的制備工藝，在連接和修復(fù)中已顯示出應(yīng)用潛力。溶膠是亞微米級陶瓷成形膠體的懸浮液形式。溶膠的粘度可通過液相載體的蒸發(fā)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生凝膠化并提供足夠的粘著力。溶膠可刷涂、噴霧、浸漬或用其他方法涂覆。連接氧化鋁陶瓷時，在接觸面上涂刷氧化鋁成形溶膠，1~2MPa壓力壓緊接觸面，微波爐中加熱固化。3溶膠-凝膠連接技術(shù)常用的固化溫度范圍為1600～l650℃，總加熱時間約45~60min。固化溫度和固化時間影響連接強度，最佳的連接強度可以與基材相等。溶膠-凝膠可以用來調(diào)制和連接柔性生坯陶瓷帶，這種陶瓷帶可用剪刀剪制成任意尺寸和形狀，然后用微波固化成型。反應(yīng)連接通過放熱反應(yīng)同時合成連接材料并使陶瓷工件結(jié)合在一起。首先將粉末反應(yīng)劑，如元素Ti和C的混合物，在待連接表面涂一薄層；然后在壓力下通過外部快速加熱使之開始放熱反應(yīng)。強烈的放熱反應(yīng)引起接觸面區(qū)域局部加熱，從而相互作用而產(chǎn)生結(jié)合，在幾秒鐘內(nèi)形成TiC型接頭。這種連接接頭的室溫結(jié)合強度超過100MPa。4反應(yīng)連接技術(shù)可用于各種各樣的連接，包括陶瓷-陶瓷和陶瓷-金屬的復(fù)合。反應(yīng)連接的優(yōu)點：可以使用一個局部外加熱源如微波或激光。連接溫度相對較低。由于可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认麻_始放熱反應(yīng)(如Ti和C粉，大約在1250

℃)，陶瓷的連接亦可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认峦瓿?，這對某些材料尤其重要，如SiC纖維增強的SiC復(fù)合材料，當(dāng)加熱超過1400℃上時性能將受到嚴(yán)重影響。5釬接技術(shù)陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好，通常情況下液態(tài)金屬難以在其表面浸潤和鋪展。陶瓷焊接件的一個主要考慮因素是需改善焊接材料對陶瓷表面的浸潤性。提高陶瓷表面浸潤性的途徑：陶瓷表面金屬化改性；使用活性元素焊料。燒結(jié)金屬粉末法或鉬錳(Mo-Mn)法；熏蒸金屬法。陶瓷表面金屬化改性焊接氧化鋁陶瓷最普遍使用的方法。這種方法的基本特征要追溯到二十世紀(jì)三十年代，而在五十年代，經(jīng)改進而成為今天所采用的金屬化工藝方法。用金屬粉或金屬氧化物粉涂復(fù)在陶瓷表面上，隨后在高溫條件下進行燒結(jié)。鉬錳(Mo-Mn)法以Mo-Mn法金屬化了的氧化鋁陶瓷表面能用一些金屬合金焊料進行焊接，這些合金焊料包括BAg-s、BAu-l和BAu-4等。Mo-Mn金屬化表面鎳處理可以進一步改善性能。借助等離子濺射或高能束蒸發(fā)，在陶瓷待連接表面沉積厚度約幾微米金屬涂層。該涂層或者將陶瓷與液體金屬焊料相隔開，以避免它們直接接觸；或者涂層與陶瓷相互反應(yīng)，以促進液體金屬的鋪展。熏蒸金屬法液態(tài)金屬中若存在能形成比陶瓷相更穩(wěn)定的更穩(wěn)定的其它氧化物元素（活性元素）時。借助此氧化物能將液態(tài)金屬吸住，提高金屬液體的浸潤性。鈦和鋯是已知并常用的活性元素，含有這類元素的焊料成為活性焊料?？捎行У馗纳茖ρ趸X、碳化硅、氮化硅等陶瓷的浸潤性。使用活性元素焊料陶瓷是脆性材料，甚至在非常高的溫度下都沒有延展性，易于產(chǎn)生焊接裂紋。陶瓷材料性難熔，氧化鋁在熔化溫度時有相當(dāng)高的蒸汽壓，導(dǎo)致熔融區(qū)的孔隙度過大；碳化硅、氮化硅等在高溫下升華而不熔化。6熔焊技術(shù)熔焊技術(shù)通常不適用于陶瓷的連接，原因在于：有關(guān)陶瓷熔焊的文獻不多，也有成功的報道。碳化鉭陶瓷、硼化鋯陶瓷自連接、互連接，以及硼化鋯陶瓷與金屬鉭連接都可以采用熔焊技術(shù)。焊接前預(yù)熱到高溫，焊后緩慢地冷卻下。連接強度為100~400MPa。除非在很高的溫度下外，陶瓷材料很難變形；另外陶瓷的固有擴散能力很差，這決定了陶瓷的擴散焊比金屬更難以進行。采用細晶粒的陶瓷以及采用預(yù)置金屬焊料的辦法，均可降低加工溫度、壓力或縮短加工時間，提高陶瓷的擴散焊性。7擴散焊接技術(shù)兩個粗顆粒(尺寸約18?)陶瓷連接時，因表面不易發(fā)生蠕動變形，連接表面處很難形成緊密接觸。對于粗顆粒陶瓷同細顆粒陶瓷(尺寸約1?)的連接時，細顆粒陶瓷的變形足以保證良好接觸，擴散焊接得以順利進行。此情況下要完成擴散焊接，尚需要1700℃的高溫。陶瓷顆粒度陶瓷與金屬擴散焊接很少采用擴散焊連接，因為金屬通常不能耐此高溫。陶瓷與陶瓷的擴散焊可以采用預(yù)置金屬箔的辦法，依靠金屬箔的變形增大陶瓷表面的接觸。Al、Cu、Fe、Ni、Pb和Pt金屬箔已用于多晶和單晶氧化鋁陶瓷擴散焊，在氬氣氣氛中加熱約0.9Tm，保溫20分鐘。連接強度與金屬熔點呈線性關(guān)系。連接件能經(jīng)受從室溫到連接溫度的熱循環(huán)沖擊。預(yù)置金屬焊料氧化鋁陶瓷連接強度與預(yù)置金屬熔點的關(guān)系微波能焊接依賴于使用微波能使陶瓷材料升高到足夠高的溫度，以完成部件的焊接。能使用微波能來迅速地加熱材料。這項技術(shù)似乎很適合加工各種陶瓷，包括其焊接件