異種材料連接新技術(shù)

1. 引言

隨著航空航天、船舶、電子工業(yè)以及能源等高新技術(shù)的崛起和迅猛發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)單一的材料在許多情況下都無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料綜合性能的要求。因此，對(duì)異種材料連接技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，已成為當(dāng)前連接領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)之一。異種材料連接構(gòu)件能夠最大限度的利用材料的各自優(yōu)點(diǎn)，收到“物盡其用”的效果。其中，陶瓷與金屬連接應(yīng)用廣泛而且十分具有代表性，一直是國(guó)內(nèi)外理論和應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱門話題。

因此，研究陶瓷/金屬連接接頭中殘余應(yīng)力的大小及分布，尋找降低殘余應(yīng)力的方法是陶瓷/金屬連接中的一個(gè)重要問(wèn)題。本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，對(duì)Al2O3陶瓷與不銹鋼材料接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了探討，提出了陶瓷與金屬連接的新方法，從而為獲得良好的接頭性能提供重要的實(shí)踐指導(dǎo)。

2. 陶瓷與金屬材料連接新技術(shù)

連接接頭形式、降溫速度、焊料種類及厚度等各種因素都對(duì)連接接頭殘余應(yīng)力有影響。當(dāng)這些參數(shù)一定時(shí)，我們可以通過(guò)加入金屬中間層來(lái)提高接頭的強(qiáng)度，一方面中間層可以阻隔有害元素的擴(kuò)散，防止金屬間化合物的產(chǎn)生，另一方面中間層還能起到緩解母材之間由于熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。因此，進(jìn)行Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭的殘余應(yīng)力的研究，對(duì)于合理選擇緩沖層種類、厚度及添加形式，獲得高性能接頭，有著十分重要的理論和實(shí)際意義。

2.1含有不銹鋼泡沫中間層的陶瓷與金屬連接接頭殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)首次選用了不銹鋼泡沫材料作為中間層，不銹鋼泡沫材料孔隙率為75%開(kāi)孔泡沫材料，其基本的性能參數(shù)如下所示：彈性模量132GPa，切變模量43.6GPa，線膨脹系數(shù)12.6×10-6/K，傳熱系數(shù)4.2 W/m℃，密度1500 kg/ m3 ， 泊松比0.3。

本實(shí)驗(yàn)所使用的母材為95%Al2O3陶瓷和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，不銹鋼泡沫的化學(xué)組成與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相同。釬料為箔片狀釬料Ag-Cu-Ti，厚度為100μm。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)工藝

實(shí)驗(yàn)前用不同型號(hào)的水砂紙逐級(jí)打磨去除試件表面的氧化膜，并用丙酮溶劑對(duì)材料進(jìn)行去油、去污染處理，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行脫水處理，最后用風(fēng)機(jī)吹干待用。陶瓷和釬料表面用乙醇和丙酮清洗并用風(fēng)機(jī)吹干。Ag-Cu-Ti箔直接放置在陶瓷和不銹鋼中間；不銹鋼泡沫層夾在陶瓷與不銹鋼之間，且在每?jī)煞N材料之間分別加入釬料。試驗(yàn)過(guò)程中先以100℃/min的加熱速度加熱至800℃，保溫5min，然后加熱到釬焊溫度T，保溫10分鐘左右，然后以50℃/min的速度緩慢冷卻，完成連接后，冷卻至室溫附近才能從真空室中取出試件，以防止試件氧化。

2.1.3性能測(cè)試及微觀分析

以抗剪強(qiáng)度衡量接頭力學(xué)性能。將用于強(qiáng)度試驗(yàn)的焊接試件在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)，將試件放入特制的夾具，壓頭移動(dòng)速度為0.5mm/s，記錄接頭斷裂時(shí)所施加的載荷，取三個(gè)接頭的強(qiáng)度平均值作為最后的結(jié)果。

用金剛石切割機(jī)將用于界面分析的陶瓷/不銹鋼釬焊接頭沿垂直焊縫方向切開(kāi)，制成金相試樣，用金相砂紙逐級(jí)磨光，然后用0.5μm的金剛石研磨膏在拋光機(jī)上拋光，拋光的質(zhì)量在顯微鏡放大150倍進(jìn)行觀察當(dāng)焊縫組織且周圍無(wú)劃痕為止。最后用王水進(jìn)行侵蝕。

采用掃描電鏡（SEM，S-4700）觀察連接接頭界面微觀組織結(jié)構(gòu)特征；用能譜儀（EDS，TN-4700）對(duì)接頭進(jìn)行點(diǎn)掃描，測(cè)定界面元素成分等。

2.2 含不銹鋼泡沫中間層的接頭的組織結(jié)構(gòu)分析

為了分析不銹鋼泡沫中間層對(duì)Al2O3陶瓷與不銹鋼釬焊接頭界面組織形態(tài)的影響，本實(shí)驗(yàn)研究了釬焊溫度850℃，保溫時(shí)間20min，釬焊壓力1.2MPa條件下得到的含不同厚度（0.2mm、0.4mm和0.6mm）不銹鋼泡沫中間層的接頭組織結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：填加不銹鋼泡沫中間層后，陶瓷與不銹鋼接頭的界面呈現(xiàn)多層次的組織結(jié)構(gòu)，接頭界面顯微組織可以劃為3個(gè)不同的特征區(qū)域：陶瓷/釬料的擴(kuò)散層、中間層界面和不銹鋼/釬料的擴(kuò)散層。由于不銹鋼泡沫材料的化學(xué)成分與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的完全相同，在釬焊過(guò)程中，中間層材料與Ag-Cu-Ti釬料反應(yīng)生成的物相與未加泡沫層時(shí)相同，接頭界面組織形貌均與不含不銹鋼泡沫層時(shí)釬焊接頭的組織相似。但是，組織結(jié)構(gòu)的明顯變化是出現(xiàn)了許多不規(guī)則的孔洞，這些孔洞不僅分散在接頭的中間層界面上，而且也出現(xiàn)在接頭的擴(kuò)散層界面附近，并且孔洞的尺寸大小不同，例如在0.2mm厚度的不銹鋼泡沫中間層中，接頭的孔洞集中在中間層區(qū)域，而且都是一些尺寸較小的孔洞；而0.4mm厚度泡沫層接頭組織結(jié)構(gòu)特征則表現(xiàn)為少量的大尺寸孔洞和分布在其周圍的較多的小尺寸孔洞；最后是較多的較大尺寸的孔洞分散在含泡沫層厚度為0.6mm的陶瓷/不銹鋼釬焊接頭中。

為了進(jìn)一步確定界面反應(yīng)產(chǎn)物，對(duì)各個(gè)反應(yīng)層相成分進(jìn)行能譜分析。加入不銹鋼泡沫層后，釬焊過(guò)程中釬料中的活性元素不僅僅向母材擴(kuò)散（擴(kuò)散的結(jié)果是高溫下的活性金屬Ti被陶瓷表面選擇行吸附，降低了陶瓷界面能，使合金與陶瓷更好的潤(rùn)濕，其中部分Ti也與陶瓷表面組成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還原了其中的金屬離子，形成Ti的低價(jià)氧化物；同時(shí)也有部分合金元素與不銹鋼接觸發(fā)生相互擴(kuò)散形成金屬鍵聯(lián)結(jié)獲得牢固的擴(kuò)散層），而且也向不銹鋼泡沫中間層中擴(kuò)散，形成彼此之間的冶金接合，中間層中的白色和深灰色固溶體組織。此外，由于不銹鋼泡沫結(jié)構(gòu)中包含有大量的孔洞，液態(tài)釬料在焊接過(guò)程中可以自由流動(dòng)到孔洞中，冷卻后與泡沫形成機(jī)械接合，從而可以得到牢固的接頭。

3. 結(jié)論

不銹鋼泡沫緩解層的加入既可以實(shí)現(xiàn)陶瓷與不銹鋼的良好連接，也可以改善接頭中元素的擴(kuò)散分布，并且界面層各區(qū)域中的活性元素Ti的分布發(fā)生了較大變化，尤其在靠近陶瓷側(cè)擴(kuò)散層的含量明顯降低，抑制了接頭脆性金屬間化合物的生成，從而改善了接頭性能。