陶瓷和金属的连接

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一、为什要将陶瓷与金属连接在一起

陶瓷材料具有许多传统材料不具备的优点。陶瓷材料主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化硼、氮化硼等,材料的性能特点主要是硬度高、耐高温、耐磨、大部分材料绝热绝缘性好、比重小于钢铁,主要用于工程机械配套需要耐高温、耐磨的场合,如航天工业高速摩擦件、各种密封件、泵和压缩机的柱塞和缸套、高级轴承等。但是陶瓷材料脆、不耐冲击、抗拉及抗弯曲较差,而金属材一般有很高的机械强度、韧性好、较能耐高温、导电传热性好,广泛应用于机械工程中关键零部件和一切重工业中的大型构件,在工业生产中有广泛的应用。陶瓷和金属材料的连接,可以很好地使两种材料的性能得到更好的发挥,如将CC 与TiAl 连接起来应用在航空航天领域中的热端部件,如制成火箭发动机喷管构件等,可以大大减轻构件重量,提高火箭发动机推重比。因而,研究陶瓷和金属两种材料简便、高效、节能的连接方法很有工业应用前景。

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二、陶瓷与金属连接特点

金属和陶瓷是两类完全不同的材料。它是把两种材料性能差异很大的零件采用合适的工艺过程连接成为一个整体。由于陶瓷和金属在物理性质、化学键型、力学性质和微观结构等方面差异很大,使用一般的方法是很难按照需求把它们连接到一起的。陶瓷与金属连接过程中,绝大多数金属与陶瓷存在较大的热失配,在加热过程中连接陶瓷与金属时,由于接头处很容易产生残余应力,使接头的力学性能被削弱;熔化的金属很难润湿陶瓷;陶瓷耐热冲击力弱,有较低的热导率,加热时很容易产生裂纹,所以应该控制加热和冷却速度并减小焊接区域的温度梯度。金属和陶瓷的焊接属于异种材料的焊接,一般需要添加中间层,中间层的使用对焊接接头性能影响很大。焊接中间层在金属和陶瓷的连接连接中的主要作用包括:

1、改善母材表面接触,润湿母材;

2、可以抑制夹杂物的形成,促进其破碎或分解;

3、改善冶金反应,避免或者减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织,优化接头显微结构从而提高接头强度;

4、可以降低焊接温度、减少扩散焊接时长,从而控制接头应力、提高接头强度;

5、减小金属和陶瓷间因力作用,改善因膨胀系数不同造成的变形。实验表明,添加不同厚度的中间层对接头强度的影响不同。ZrB2-SiC 陶瓷和 Ni 的扩散焊实验中发现:中间层为固态 Ni 和 1mm 泡沫Ni 会发生脆性断裂;2和 4mm 厚中间层时,外加载荷应力达到塑性应变,随后残余阻力导致接头失效;6mm 中间层有很好的塑性,但由于泡沫金属的多孔性导致接头刚度较低。

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三、金属与陶瓷的扩散焊

扩散焊是压焊的一种,它是指在相互接触的表面,在高温压力的作用下,被连接表面相互靠近,局部发生塑性变形,经一定时长后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接过程。影响扩散焊质量的焊接工艺参数因素很多,主要有焊接温度、保温时长、焊接压力等,合理控制影响因素保证焊接接头力学性能,一直是众多研究者关注的焦点。焊接温度是促进原子扩散连接的最主要因素。扩散系数D与加热温度 T成指函数关系。提高加热温度能够提高原子,分子的能量,对消除空隙起着决定性作用。温度还影响被焊材料原子的扩散行为及材料的屈服强度,但温度过高,接头强度有所降低。保温时长是影响扩散焊接接头质量的重要因素。保温时长过短,元素扩散不能充分进行,严重时会导致焊缝中残留许多孔洞,焊接接头强度不高;但是,保温时长过长,会使焊件晶粒粗大,降低力学性能。在焊接过程中,扩散原子走过的平均距离与扩散时长的平方成正比,因此,必须选择合适的保温时长,得到一定宽度并且组织结构优良的扩散层,从而得到性能良好的焊接接头。焊接面微观存在许多凸起,凸起程度主要取决于表面粗糙度。在焊接过程中常施加压力使焊接表面微观凸起部分产生塑性变形,激活界面区原子,消除界面孔洞,使焊接表面接近到原子间结合力起作用的距离之内来完成焊接面上的原子间结合。近年来不断开发出了一些新的扩散焊接方法,如高压电场下的扩散焊,该方法借助于高压电场(1000V以上)及温度的共同作用,使陶瓷内电介质电离,在与金属邻近的陶瓷材料内形成了一薄层充满负离子的极化区。此外,由于材料表面的显微不平度,陶瓷与金属间只有个别小点相接触,大部分地区形成微米级的间隙。集结在微小间隙两侧的离子使这些地区的电场急剧升高,此外加电场可增加3~4个数量级。由于异性电荷相吸,使被连接的两种材料相邻界面达到紧密接触(其间距小于原子间距),随后借助于扩散作用,使金属与陶瓷得以连接。除了研究改变工艺参数和结构外,还可以通过在焊接前后适当添加一些辅助工艺能更好地实现焊接,如加氢处理、激光预焊芯夹层等。陶瓷与金属的自蔓延高温合成焊接法自蔓延高温合成技术也称为燃烧合成技术,是由制造难熔化合物(碳化物、氮化物和硅化物)的方法发展而来的。在这种方法中,首先在陶瓷与金属之间放置能够燃烧并放出大量生成热的固体粉末,然后用电弧或辐射将粉末局部点燃而开始反应,并由反应所放出的热量自发地推动反应继续向前发展,最终由反应所生成的产物将陶瓷与金属牢固地连接在一起。该方法的显著特点是能耗低,生产效率高,对母材的热影响作用小,通过设计成分梯度变化的焊缝来连接异种材料,可以克服由于热膨胀系数差异而造成的焊接残余应力。但燃烧时可能产生气相反应和有害杂质的侵入,从而使接头产生气孔和接头强度降低。因此,连接最好在保护气氛中进行,并对陶瓷与金属的两端加压。根据待焊母材的不同来源也可将自蔓延反应连接分为一次接和二次连接。一次连接是指连接前待焊母材不是现有材料,而是在自蔓延高温连接过程中通过中间层原位合成的连接工艺;而二次连接是指待焊母材在连接前已经制备好,中间层在连接过程中作为焊料将其连接在一起的连接工艺CC/Ti 钎焊接头强度取决于自蔓延焊接连接处的好坏与许多因素有关,如CC/Ti 钎焊接头强度取决于钎料在 CC 表面的润湿能力和 CC 纤维的取向。使用在 CC 表面润湿性最好的Cu-ABA 钎料可获得最高的连接强度,CC 纤维平行于待焊面的接头强度要高于垂直的情况。同时,钎料在碳材料表面的铺展行为与钎料成分有关。在钎料中添加亲碳活性元素(如 Ti、Si 等)可以通过在界面处形成碳化物而改善钎料在碳表面的润湿性。自蔓延过程中钎料颗粒颗粒大小或箔片厚度,自蔓延的反应温度,保温时长对反应结果都有重大影响。在进行自蔓延反应前需要对中间层发生自蔓延反应的最低预热温度进行计算,同时研究中间层绝热温度与预热温度间的定量关系。有时自蔓延反应放出的热量无法达到焊接所需的温度,则为保证中间层自蔓延反应燃烧波自维持,就需要对中间层进行预热,也可以添加能产生高放热反应的组元。在进行体系绝热温度计算之前,必要对体系的合成产物做出合理的预估,得到总反应方程式。预期产物为常见的化合物。根据热力学相关理论,当多组元体系发生反应时,反应物不唯一,则在体系中最终反应产物将是标准生成吉布斯自由能最负的化合物。日本的Miyamo to等首次利用SHS焊接技术,研究了金属Mo与TiB2和TiC陶瓷的焊接,试验利用Ti+B或Ti+C粉末作为反应原料,预压成坯后加在两个Mo片之间,利用石墨套通电发热来引发反应,成功地获得了界面结合完整的焊接接头。何代华等采用燃烧合成技术成功地制取了TiB2陶瓷/金属Fe试样,且焊接界面结合良好,中间焊料层的质量百分含量较高时,界面结合优于Fe质量百分含量低的界面结合情况。孙德超等以焊料(功能梯度材料)成功实现了SiC陶瓷与GH 4146合金的SHS焊接。目前SHS机理研究尚未成熟,设备开发和应用投资颇大,所以SHS焊接尚未工程化,其次由于焊接接头的好坏评估的科学方法尚未成熟,所以在一些要求高的领域未能得到普遍的接受。

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