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陶瓷与金属焊接

陶瓷与金属焊接技术:

金属陶瓷材料发展应用的关键

(Jul31200703:

37PM)

Ti(C,N)基金属陶瓷是一种颗粒型复合材料,是在TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的新型金属陶瓷。

Ti(C,N)基金属陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等一系列优良综合性能,在加工中显示出较高的红硬性和强度,它在相同硬度时耐磨性高于WCCo硬质合金,而其密度却只有硬质合金的1/2。

因此,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具在许多加工场合下可成功地取代WC基硬质合金而被广泛用作工具材料,填补了WC基硬质合金和Al2O3陶瓷刀具材料之间的空白。

我国金属钴资源较为贫乏,而作为一种战略性贵重金属,近年来钴的价格持续上扬,因此,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的研制开发和广泛应用,不仅可推动我国硬质合金材料的升级换代,而且在提高国家资源保障程度方面也具有重要的意义。

   我们研制的是添加TiN的Ti(C,N)基金属陶瓷。

由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性,TiN的加入可起到细化晶粒的作用,故Ti(C,N)基金属陶瓷可表现出比WC基或TiC基硬质合金更为优越的综合性能。

这种新型金属陶瓷刀具材料的广泛应用是以其成功的连接技术为前提的,国内外对陶瓷与金属的连接开展了不少的研究,但对于金属陶瓷与金属连接的技术研究较少,以致于限制了Ti(C,N)基金属陶瓷材料在工业生产中的广泛应用。

常用的连接陶瓷与金属的焊接方法有真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等。

在这些连接方法中,钎焊、扩散焊连接方法比较成熟、应用较广泛,过渡液相连接等新的连接方法和工艺正在研究开发中。

本文在总结各种陶瓷与金属焊接方法的基础上,对金属陶瓷与金属的焊接技术进行初步探讨,在介绍各种适用于金属陶瓷与金属焊接技术方法的同时,指出其优缺点和有待研究解决的问题,以期推动金属陶瓷与金属焊接技术的研究,进而推广这种先进工具材料在工业领域的应用。

   Ti(C,N)基金属陶瓷性能特点及应用现状

   Ti(C,N)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一类新型工模具材料。

按其组成和性能不同可分为:

①成分为TiCNiMo的TiC基合金;②添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金属(如Co)的强韧TiC基合金;③添加TiN的TiCTiN(或TiCN)基合金;④以TiN为主要成分的TiN基合金。

Ti(C,N)基金属陶瓷的性能特点如下:

   

(1)高硬度,一般可达HRA91~93.5,有些可达HRA94~95,即达到非金属陶瓷刀具硬度水平。

   

(2)有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损能力,在高速切削钢料时磨损率极低,其耐磨性可比WC基硬质合金高3~4倍。

   (3)有较高的抗氧化能力,一般硬质合金月牙洼磨损开始产生温度为850~900℃,而Ti(C,N)基金属陶瓷为1100~1200℃,高出200~300℃。

TiC氧化形成的TiO2有润滑作用,所以氧化程度较WC基合金低约10%。

   (4)有较高的耐热性,Ti(C,N)基金属陶瓷的高温硬度、高温强度与高温耐磨性都比较好,在1100~1300℃高温下尚能进行切削。

一般切削速度可比WC基硬质合金高2~3倍,可达200~400m/min。

   (5)化学稳定好,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具切削时,在刀具与切屑、工件接触面上会形成Mo2O3、镍钼酸盐和氧化钛薄膜,它们都可以作为干润滑剂来减少摩擦。

Ti(C,N)基合金与钢不易产生粘结,在700~900℃时也未发现粘结情况,即不易产生积屑瘤,加工表面粗糙度值较低。

   Ti(C,N)基金属陶瓷在具有良好综合性能的同时还可以节约普通硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属材料。

随着人类节约资源推行“绿色工业”进程的加快,Ti(C,N)基金属陶瓷必会成为一种大有前途的工具材料。

目前,Ti(C,N)基金属陶瓷材料得到世界各国尤其是日本的广泛深入研究,一些国家已在积极应用和推广这种刀具材料,世界各主要硬质合金生产厂家都推出了商品牌号的含氮金属陶瓷。

如日本三菱综合材料公司开发的NX2525牌号超细微粒金属陶瓷的硬度达到92.2HRA,抗弯强度达2.0GPa,兼具高硬度和高韧性。

我国在“八五”期间也成功研制出多种牌号的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具,并批量上市,现已发展成为独立系列的一类刀具材料。

   金属陶瓷与金属焊接的技术方法

   在工业加工生产中,切削加工刀具的刀片与刀杆的连接方式有两种:

焊接式和机夹式。

刀具的刀片和刀杆连接的好坏直接影响刀具的使用寿命。

宋立秋等通过实验研究表明:

选用焊接式连接刀片和刀杆时,刀具耐用度高;选用机夹式时,刀具耐用度低。

由于Ti(C,N)基金属陶瓷属于脆性材料,熔点比金属高,其线膨胀系数与金属相差较大,使得Ti(C,N)基金属陶瓷刀片与刀杆焊后接头中的残余应力很高,加之与金属的相容性较差,使得金属陶瓷与金属的焊接性较差,一般焊接方法和工艺很难获得满意的焊接接头,目前,采用钎焊和扩散焊对金属陶瓷与金属进行连接已获得成功。

随着研究的不断深入,又出现了许多新方法及工艺,以下在介绍各种适用于金属陶瓷与金属焊接技术方法的同时,指出其优缺点和研究方向。

1 熔化焊

   熔化焊是应用最广泛的焊接方法,该方法利用一定的热源,使连接部位局部熔化成液体,然后再冷却结晶成一体。

焊接热源有电弧、激光束和电子束等。

目前Ti(C,N)基金属陶瓷熔化焊主要存在以下两个问题有待解决:

一是随着熔化温度的升高,流动性降低,有可能促进基体和增强相之间化学反应(界面反应)的发生,降低了焊接接头的强度;另一问题是缺乏专门研制的金属陶瓷熔化焊填充材料。

   1) 电弧焊

   电弧焊是熔化焊中目前应用最广泛的一种焊接方法。

其优点是应用灵活、方便、适用性强,而且设备简单。

但该方法对陶瓷与金属进行焊接时极易引起基体和增强相之间的化学反应(界面反应)。

由于Ti(C,N)基金属陶瓷具有导电性,可以直接焊接,对Ti(C,N)基金属陶瓷与金属电弧焊的试验研究表明是可行的,但需要解决诸如界面反应、焊接缺陷(裂纹等)和焊接接头强度低等问题。

   2) 激光焊

   激光焊是特殊及难焊材料焊接的一种重要焊接方法。

由于激光束的能量密度大,因此激光焊具有熔深大、熔宽小、焊接热影响区小、降低焊件焊接后的残余应力和变形小的特点,能够制造高温下稳定的连接接头,可以对产品的焊接质量进行精确控制。

激光焊接技术已经成功应用于真空中烧结的粉末冶金材料。

据报道,Mittweida激光应用中心开发了一种双激光束焊接方法。

它用两束激光工作,一束激光承担工件的预热,另一束激光用于焊接。

用这种双激光束焊接方法可以实现各种几何体的连接,并且不会降低原材料的强度和高温性能,焊接时间仅需数分钟。

该方法可有效防止焊接过程中热影响区裂纹的产生,适用于Ti(C,N)基金属陶瓷与金属的焊接,但对工装夹具、配合精度及焊前准备工作要求较高,设备投资昂贵,运行成本较高,需要进一步提高其工艺重复性和可靠性。

   3) 电子束焊

   电子束焊是一种利用高能密度的电子束轰击焊件使其局部加热和熔化而焊接起来的方法。

真空电子束焊是金属陶瓷与金属焊接的有效焊接方法,它具有许多优点,由于是在真空条件下,能防止空气中的氧、氮等的污染;电子束经聚焦能形成很细小的直径,可小到Φ0.1~1.0mm的范围,其功率密度可提高到107~109W/cm2。

因此电子束焊具有加热面积小、焊缝熔宽小、熔深大、焊接热影响区小等优点。

但这种方法的缺点是设备复杂,对焊接工艺要求较严,生产成本较高。

目前针对Ti(C,N)基金属陶瓷与金属的电子束焊接技术还处于实验阶段。

 2 钎焊

   钎焊是把材料加热到适当的温度,同时应用钎料而使材料产生结合的一种焊接方法。

钎焊方法通常按热源或加热方法来分类。

目前具有工业应用价值的钎焊方法有:

(1)火焰钎焊;

(2)炉中钎焊;(3)感应钎焊;(4)电阻钎焊;(5)浸渍钎焊;(6)红外线钎焊。

钎焊是Ti(C,N)基金属陶瓷与金属连接的一种主要焊接方法,钎焊接头的质量主要取决于选用合适的钎料和钎焊工艺。

李先芬等对Ti(C,N)基金属陶瓷与45号钢采用铜基、银基钎料分别进行了火焰钎焊试验和在氩气保护炉中钎焊试验。

火焰钎焊条件下,以H62为钎料的接头的平均剪切强度为37MPa,以BAg10CuZn为钎料的接头的剪切强度达114MPa,以BCuZnMn为钎料的接头的平均剪切强度49MPa;在氩气保护炉焊条件下,以H62为钎料的接头的平均剪切强度为37MPa,以Ag72Cu28为钎料的接头的平均剪切强度为51MPa。

通过观察和分析钎焊接头的结合情况及剪切试验,表明Ti(C,N)基金属陶瓷具有较好的钎焊性。

但由于接头界面处金属陶瓷中存在残余应力,导致剪切试验时均断在金属陶瓷上,且钎焊接头的剪切强度不高。

张丽霞等采用AgCuZn钎料实现了TiC基金属陶瓷与铸铁的钎焊连接。

近年来还利用非晶技术研制成功了新的含钛合金系,如CuTi、NiTi合金,可以直接用来钎焊陶瓷与金属,其接头的工作温度比用银铜钎料钎焊的要高得多。

目前,金属陶瓷钎焊需要解决如何降低或消除界面处金属陶瓷中的残余应力和提高接头强度的问题。

   3 压焊

   压焊时基体金属通常并不熔化,焊接温度低于金属的熔点,有的也加热至熔化状态,仍以固相结合而形成接头,所以可以减少高温对母材的有害影响,提高金属陶瓷与金属的焊接质量。

   1) 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,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接过程。

扩散焊包括没有中间层的扩散焊和有中间层的扩散焊,有中间层的扩散焊是普遍采用的方法。

使用中间层合金可以降低焊接温度和压力,降低焊接接头中的总应力水平,从而改善接头的强度性能。

另外,为降低接头应力,除采用多层中间层外,还可使用低模数的补偿中间层,这种中间层是由纤维金属所组成,实际上是一块烧结的纤维金属垫片,孔隙度最高可达90%,可有效降低金属与陶瓷焊接时产生的应力。

扩散焊的主要优点是连接强度高,尺寸容易控制,适合于连接异种材料。

关德慧等对金属陶瓷刀刃与40Cr刀体的高温真空扩散焊接实验表明,金属陶瓷与40Cr焊接后,两种材料焊合相当好,再对40Cr进行调质处理,界面具有相当高的强度,焊接界面的抗拉强度达650MPa,剪切强度达到550MPa。

扩散焊主要的不足是扩散温度高、时间长且在真空下连接、设备昂贵、成本高。

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。

 2) 摩擦焊

   摩擦焊是在轴向压力与扭矩作用下,利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热,使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形,然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。

摩擦焊广泛用于同类和异种金属的连接,对于不同类材料陶瓷与金属连接的摩擦焊尚属起步阶段。

   3) 超声波焊

   超声波焊是通过超声波振动和加压实现常温下金属与陶瓷接合的一种有效方法。

用此方法焊接铝与各类陶瓷均获得成功,而且接合时间仅需几秒钟。

由于此方法的接合能是利用超声波振动,结合面不需要进行表面处理,设备较简单,缩短了焊接时间,其成本比钎焊法大幅度降低。

该方法应用于金属陶瓷与金属的焊接还有待于进一步研究。

   4 中性原子束照射法

   中性原子束照射法利用中性原子束照射金属与陶瓷的接合面,使接合面的原子“活化”。

物质清洁的表面具有极佳的活性,然而物质表面往往沾有污物或覆盖着一层极薄的氧化膜,使其活性降低。

该方法主要是对接合面照射氩等惰性气体的1000~1800eV的低能原子束,从表面除去20nm左右的薄层,使表面活化,然后加压,利用表面优异的反应度进行常温状态下接合,此方法可用于氮化硅等高强度陶瓷与金属的接合。

   5 自蔓延高温合成焊接法

   自蔓延高温合成(SelfpropagatingHightemperatureSynthesis,缩写SHS)技术也称为燃烧合成(CombustionSynthesis,缩写CS)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。

日本的Miyamoto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Fe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FGM焊料(功能梯度材料)成功实现了SiC陶瓷与GH4146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。

(Jul31200703:

37PM)

   6 液相过渡焊接法

   液相过渡焊接(TransientLiquidPhase,缩写TLP)是介于溶焊和压焊之间的焊接方法。

该技术综合了钎焊技术和扩散连接技术的优点,可制备服役温度不低于连接温度的高温接头。

TLP连接技术的工艺TLP焊接与钎焊操作步骤相似,均需在待连接母材表面间放入熔点低于母材的第三种材料(在TLP中常叫中间层Interlayer,在钎焊中常叫钎料Fillermetal);然后加热、保温。

但两者扩散的充分程度、凝固的方式和最终所得接头的成分、组织的不连续程度都不同。

与钎焊相比TLP焊接具有如下优点:

①TLP接头在等温凝固完成后具有明显不同于母材与填充金属的成分,并在一定情况下分辨不出最终显微组织中的填充金属;②TLP接头比一般硬钎焊接头的强度高;③TLP接头的重熔温度高于钎焊接头而耐高温性能好。

上述优点决定了它可用于先进材料的连接,在金属陶瓷与金属焊接技术中有着广阔的应用前景。

段辉平等采用TiCu和TiNi复合焊料,利用TLP连接技术成功地制备了无焊接缺陷的TiAl/IN718合金接头。

   Ti(C,N)基金属陶瓷是一种最有前途的高速切削刀具材料,它与金属的焊接是Ti(C,N)基金属陶瓷材料得以发展和应用的关键技术之一。

金属陶瓷与金属之间焊接的关键问题是界面润湿和缓解焊接残余应力,一般可以通过选择活性元素与金属陶瓷发生界面反应来改变陶瓷的表面状态从而提高两者之间的润湿性,缓解由于母材之间热膨胀系数不匹配而产生的残余热应力的发展方向之一是通过SHS合成功能梯度材料(FGM)作为焊料,从而可以大大缓解金属陶瓷与金属之间焊接接头的残余热应力。

综上所述,尽管适合于Ti(C,N)基金属陶瓷与金属焊接的方法有多种,但每种方法都有其自身的优缺点和局限性,如采用扩散焊焊接的接头界面受限且易在接头形成有害复合碳化物(η相);钎焊存在结合强度和使用温度较低等问题;熔焊易产生脆性开裂且缺乏合适的焊接材料。

有些方法还处于实验研究阶段,一时还难以实用化。

在选择焊接方法时,要从实际出发,即从金属陶瓷与金属复合构件的使用要求出发,确实保证连接质量及其稳定性,并力求降低生产成本。

综合考虑焊接及工艺等方面的因素,活性钎焊、扩散焊、部分瞬间液相连接、SHS焊接技术最有希望成为金属陶瓷与金属焊接工艺中重点开发的研究项目。

金属陶瓷与金属的焊接是一个全新的领域,内容新颖而又异常丰富,今后随着该种材料的广泛应用和应用范围的不断扩大,其焊接技术方法和工艺的研究将成为国内外普遍关注而亟待解决的研究课题。

陶瓷与金属的焊接现状

2008-03-1013:

35:

21  阅读70次  

一 引言

   随着现代工业的发展,现有的金属材料在耐高温、耐腐蚀、耐磨损等方面的性能已不能满足日趋提高的要求。

陶瓷材料,特别是具有熔点高、高温强度高、硬度高、高温蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、弹性模量高以及热膨胀系数小等优良性能和特点的先进结构陶瓷材料在工程结构领域具有广阔的应用前景[1]。

但是作为结构材料,陶瓷由于其化学键的特点,具有脆性大、强度分散和加工困难三个固有的缺点,这些缺点导致其抗冷热冲击能力差、难以制成尺寸大、形状复杂的构件,从而也限制了其应用范围[1-3]。

由此可见,陶瓷材料和金属材料之间明显有着一种性能互补关系,将陶瓷与金属连接起来制成复合构件,充分发挥两种材料的性能优点,弥补各自的不足,对于改善结构件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义[1]。

解决这一问题的最好方法就是采用连接技术制造陶瓷与金属的复合构件,从而发挥陶瓷与金属各自的优良性能[4]。

因此对金属与陶瓷材料焊接进行研究并获得兼具金属及复合陶瓷优越性的复合构件具有重要的意义,陶瓷/金属的连接问题也一直是研究的热点问题[5]。

二 陶瓷与金属焊接的主要困难

   陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物,它与金属有相似之处,也有晶粒聚集体,也有晶粒和晶界。

但它与金属有本质上的不同,它不含大量自由电子,而是以离子键、共价键或两者的混合键结合在一起,稳定性很高[6]。

陶瓷与金属的焊接上主要表形在[7]:

①陶瓷和金属的键型不同,连接时存在键型的转换和匹配问题,难以实现良好的冶金连接;

②陶瓷与金属的热胀差异很大,连接后容易产生很大的残余应力,难以获得高强度接头;

③陶瓷的热导率低,导电性差,抗热冲击能力弱,润湿性不好,这给连接工艺的确定带来了很大的困难。

三 陶瓷与金属的连接方法

   常用的陶瓷与金属的连接方法有3种:

焊接连接、机械连接和粘接连接。

焊接连接的特点是连接界面为扩散、物理力、化学键作用,接头强度高,有一定的气密性,耐高温,可靠性较高,但其工艺成本高,接头存在内应力。

机械连接界面为机械力作用,接头无气密性,易产生应力集中。

粘接连接界面为物理力、化学键作用。

机械连接和化学连接工艺的使用范围很有限,这两种工艺联合使用虽可以进一步增加接头强度并获得气密性接头,但使用条件也较有限。

一但考虑复杂受载条件、较高使用温度及可靠性因素时,就只能选择陶瓷与金属的焊接连接工艺[3]。

   由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料,相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异,特别是化学键差异较大,采用常规的焊接方法不容易实现有效连接[7-9]。

陶瓷/金属焊接研究发展到今天,已经有很多连接方法,主要有:

(1)熔焊;

(2)钎焊;(3)扩散焊;(4)陶瓷部分瞬间液相连接;(5)自蔓延高温合成焊接等焊接方法。

   

(1)熔焊 熔焊主要是激光熔焊和电子束焊,采用这两种连接方法虽然速度快,效率高,可以制造高温下稳定的连接接头,但是为了降低连接应力,防止裂纹的产生必须采用辅助热源进行预热和缓冷,而且工艺参数难以控制[1];能够制造高温下稳定的连接接头,但难于形成面-面连接,且设备投资昂贵[3,10]。

   

(2)钎焊 钎焊是利用陶瓷-金属母材之间的钎料在高温下熔化,其中的活性组元与陶瓷发生化学反应,形成稳定的反应梯度层,从而将两种材料结合在一起。

陶瓷-金属钎焊的方法一般分为间接钎焊和直接钎焊两类。

间接钎焊法又叫两步法,是先在陶瓷表面预金属化,然后再进行钎焊,关键是陶瓷表面的预金属化。

直接钎焊法,即一步法,它是在钎料中加入一些Ti、Zr等活性元素将金属与陶瓷直接钎焊起来,也叫活性钎料法。

   两步法钎焊在电子工业中得到广泛应用,但其工序较多,工艺较复杂,成本高。

而一步法钎焊工艺简单,成本低,在结构件制作中应用较广。

活性金属钎焊接头质量较好,可靠性较高,易于实现规模化生产,工艺流程易于操作与控制,工艺的主要难点在于钎料配制及减小界面应力[2,3]。

   (3)扩散焊 这里所说的扩散焊是固相扩散焊连接,固相扩散焊是在一定压力和温度下,陶瓷与金属紧密接触(接触距离达到几埃到几十埃以内),通过恢复、再结晶及晶界变化在界面处形成金属键或化学键,从而形成牢固结合的接头。

固相扩散连接根据被连接母材之间是否插入中间层金属,可以分为直接连接和间接连接。

固相扩散连接中界面的结合是靠塑性变形、扩散和蠕变机制实现的,其连接温度较高,陶瓷/金属固相扩散连接通常为金属熔点的0.9倍,两种材料热膨胀系数和弹性模量不匹配,易在界面附近而产生高的残余应力,一般很难实现陶瓷与金属的直接扩散连接[11,12]。

因此在进行陶瓷/金属连接时,一般都采用在陶瓷和金属之间插入中间层金属的间接固相扩散连接方法。

采用中间层的主要目的是减缓因陶瓷与金属的热胀差异而引起的热应力[13],同时也可起到抑制或改变界面生成物的作用[7]。

扩散焊具有如下特点[3]:

①接头质量稳定,焊缝中不存在熔化焊缺陷,不存在过热组织热影响区;

②可以一次焊接多个接头,效率较高;

③可焊接较大截面接头;

④可考虑增加中间层,对陶瓷材料无须表面金属化。

   (4)陶瓷部分瞬间液相连接 部分瞬间液相连接具有液相和固相连接的优点。

由于液态金属的存在,使被连接表面的加工要求不必太苛刻。

通过中间层的合理设计,可以使液态金属数量少,而且在需要的部位产生,而后低熔点金属扩散进入高熔点材料并与之反应,使液相消失,形成的合金或中间层的性质取决于高熔点核心材料的物理性质,如果需要还可以在高温下不加压进行退火,通过互扩散而使产物均匀化[1]。

由于有液相参与,加速了连接过程,降低了对连接表面加工精度的要求,能有效地消除固相连接中难以完全消除的界面空洞[9],为陶瓷/金属的连接开辟了一个新途径。

   (5)自蔓延高温合成(SHS-SelfPropagationHigh-temperatureSynthesis)焊接 SHS连接是在陶瓷和金属之间预置高温焊料,点燃焊料产生短时间高温燃烧,以SHS反应放出的热为高温热源,以SHS产物为焊料,使陶瓷-金属界面迅速融合,并快冷形成牢固的连接。

SHS连接可以直接方便地合成功能梯度材料,SHS连接中也可以使用粉末梯度材料,即一端和陶瓷亲和,另一端和金属亲和,其成分逐步过渡[3]。

SHS连接料的配方、压力、气氛等均易于控制,反应时间短(一般为几秒),能显著节约能源及加工时间。

但也由于反应速度太快,给连接熔池的控制带来许多困难。

如果研究中燃烧时间成为可控因素,那么SHS连接中,连接件品质就会大幅度提高,就会使SHS连接技术趋于成熟被广泛应用于结构的连接中[14]。

四 陶瓷与金属焊接技术的应用

   目前,陶瓷与金属连接技术的应用越来越多,比较广泛地应用于刀具制造及电子工业。

如陶瓷刀头与钢刀杆的焊接

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