【文章內容簡介】 易生成脆性化合物 陶瓷與金屬的結合界面問題 陶瓷與金屬之間是通過過渡層而結合的，兩種材料間的界面反應對接頭的形成和組織性能有很大的影響。 太原科技大學材料科學與工程學院 ?線脹系數、彈性模量差異 →接頭附近不均勻的熱應力 (陶瓷側高應力 ) → 應力集中 →裂紋 ?焊接溫度與室溫之差很大 →較大的殘余應力 1 焊接應力和裂紋 太原科技大學材料科學與工程學院 太原科技大學材料科學與工程學院 緩解較大的分布不均殘余應力的措施： 加入中間層 中間層的選擇原則： 選擇彈性模量和屈服強度較低、塑性好的材料，通過中間層金屬或合金的塑性變形，將陶瓷中的應力轉移到中間層中，從而減小陶瓷 /金屬接頭的應力。 太原科技大學材料科學與工程學院 主要選擇的中間層 ?單一金屬： Cu、 Ni、 Nb、 Ti、 W、 Mo、銅鎳合金、合金鋼 ?兩種不同的金屬作為復合中間層，例如： Ni作為塑性金屬， W作為低線脹系數材料 中間層材料的預置方式： ?金屬鉑片 ?金屬粉末：真空蒸發(fā)、離子濺射、化學氣相沉積、噴涂、電鍍 太原科技大學材料科學與工程學院 中間層的影響： ?中間層厚度增大，殘余應力降低 ?若中間層與母材有化學反應生成脆性化合物，會使接頭惡化 太原科技大學材料科學與工程學院 其他降低殘余應力的特殊措施 ?合理選擇被焊陶瓷與金屬，在不影響接頭使用性能的條件下，盡可能使兩者的線脹系數相差最小。 ?盡可能減小焊接部位及其附件的溫度梯度，控制加熱速度，降低冷卻速度，有利于應力松弛而使焊接應力減小。 ?采取缺口、突起和端部變薄等措施合理設計陶瓷與金屬的接頭結構。 太原科技大學材料科學與工程學院 接頭界面反應的物相結構是影響陶瓷與金屬結合的關鍵。這些相結構取決于陶瓷與金屬 (包括中間層 )的種類，也與連接條件 (如加熱溫度、表面狀態(tài)、中間合金及厚度等 )有關。 界面反應產物 太原科技大學材料科學與工程學院 例如： SiC與金屬的反應，生產該金屬的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相 M e S iM e CS iCMe ???yx CM e S iS iCMe ??太原科技大學材料科學與工程學院 太原科技大學材料科學與工程學院 例如： Si3N4與金屬的反應，生成該金屬的氮化物、硅化物或三元化合物 太原科技大學材料科學與工程學院 例如： Al2O3與金屬的反應，生成該金屬的氧化物、鋁化物或三元化合物 太原科技大學材料科學與工程學院 擴散界面的形成 陶瓷與金屬各方面的差異很大，中間層元素在兩種母材中的擴散能力不同，造成中間層與兩側母材發(fā)生反應的程度也不同，所以產生擴散連接界面形成過程的非對稱性。 太原科技大學材料科學與工程學院 例如： Al2O3TiC復合陶瓷與 W18Cr4V高速鋼擴散連接， 以 Ti/Cu/Ti為中間層 太原科技大學材料科學與工程學院 擴散連接界面反應機理 ?(1) Al2O3TiC/Ti界面 (A) ?(2)TiCuTi中間層內 (B) ?(3)Ti/W18Cr4V界面近 Ti側 (C) ?(4)Ti/W18Cr4V界面近W18Cr4V側 (D) 太原科技大學材料科學與工程學院 反應層 A主要為： TiO、 Ti3Al和 TiC相 AlT iOOAlTi 233 32 ???33 T iA lAlTi ??Ti A lAlTi ??AlTiAlTi 33 ??T iA lTiT iA l 323 ??AlTiTiT iA l 32 ??Ti CCTi ??太原科技大學材料科學與工程學院 反應層 B主要為： CuTi、 CuTi2和 TiC C u T iTiCu ??22 C u T iTiCu ??Ti CCTi ??太原科技大學材料科學與工程學院 反應層 C主要為： TiC和少量的 FeTi相 F e T iTiFe ??TiFeTiFe 22 ??F eTiTiFe ?2Ti CCTi ??太原科技大學材料科學與工程學院 反應層 D主要是： Fe3W3C等碳化物和 αFe Ti CCTi ??W18Cr4V側形成脫碳層 CWFeCWFe 33???未反應的 Fe以 αFe形式保存下來 太原科技大學材料科學與工程學院 Ti幾乎出現在所有的界面反應產物中，表明 Ti參與了界面反應的各個過程。在 Al2O3TiC/W18Cr4V擴散連接過程中， Ti是界面反應的主控元素 。 太原科技大學材料科學與工程學院 擴散界面的結合強度 (1)加熱溫度 溫度提高 → 界面擴散反應充分，接頭強度提高。 溫度過高 → 使陶瓷的性能發(fā)生變化，出現脆性相 太原科技大學材料科學與工程學院 (2)保溫時間 2/10 tBb ??太原科技大學材料科學與工程學院 (3)壓力 為了使接觸面處產生微觀塑性變形，減小表面不平整和破壞表面氧化膜，增加表面接觸面積，為原子擴散提供條件。 太原科技大學材料科學與工程學院 (4)表面粗糙度 表面粗糙會在陶瓷中產生局部應力集中而引起脆性破壞 太原科技大學材料科學與工程學院 (5)連接環(huán)境 避免了 O、 H等參與界面反應，有利于提高接頭的強度 太原科技大學材料科學與工程學院 太原科技大學材料科學與工程學院 ?陶瓷與金屬在化學鍵型、微觀結構、物理性質和力學性能等方面存在極大的差異，采用常規(guī)的方法是很難講它們連接在一起并滿足使用要求的。這主要表現在： ?1陶瓷與金屬的鍵型不同，連接時存在鍵型的轉換和匹配問題，難以實現良好的冶金連接 ?2陶瓷與金屬的熱脹差異很大，連接后容易產生很大的殘余應力，難以獲得高強度接頭 ?3陶瓷的熱導率低，導電性差，抗熱沖擊能力弱，潤濕性不好，這給連接工藝的確定帶來了很大的困難。 太原科技大學材料科學與工程學院 ? 陶瓷與金屬之間的連接方法，包括機械連接、粘接和焊接。 ? 常用的焊接方法主要有釬焊連接、擴散連接、電子束焊、激光焊等。 太原科技大學材料科學與工程學院 釬焊 定義： 采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到 高于釬料熔點、但低于母材熔點 的溫度，利用液態(tài)釬料 潤濕 母材， 填充 接頭間隙，并與母材相互 擴散而實現連接焊件的方法。 釬焊是一種古老的焊接方法。 太原科技大學材料科學與工程學院 一、釬焊原理及特點 釬焊是利用液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展與母材相互溶解和擴散以及在母材間隙中潤濕、毛細流動、填縫與母材相互溶解和擴散而實現零件間的連接的。 太原科技大學材料科學與工程學院 (1)液態(tài)金屬的填隙原理 液體金屬能填充接頭間隙，必須具備一定的條件，此條件就是 潤濕作用 和 毛細作用 。 ? 潤濕作用 潤濕 ——液態(tài)物體與固態(tài)物體接觸后相互沾附的現象。 當液體處于自由狀態(tài)，其將力圖保持球形！ 當液體與固體接觸，如果內聚力 ＞附著力，液體就不能沾附在固體表面 ——不潤濕！ 太原科技大學材料科學與工程學院 當液體的附著力大于其內聚力時，液體就能粘附在固體表面 ——發(fā)生潤濕作用。 另一種解釋：將