絕緣-金屬陶瓷及其與金屬材料焊接匹配實(shí)驗(yàn)研究

黃曉軍　戴晶怡　李志平　徐萬里　周京川　易歆雨　黃　云

(中國工程物理研究院電子工程研究所　四川 綿陽　621999)

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絕緣-金屬陶瓷及其與金屬材料焊接匹配實(shí)驗(yàn)研究

黃曉軍戴晶怡李志平徐萬里周京川易歆雨黃云

(中國工程物理研究院電子工程研究所四川 綿陽621999)

介紹了金屬陶瓷制備及焊接應(yīng)用工藝實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展；分析了絕緣-金屬陶瓷界面處的微觀形貌與元素面分布，顯示出兩者在界面處呈過渡態(tài)緊密結(jié)合狀態(tài)。通過焊接工藝及性能測試結(jié)果比對，認(rèn)為釬焊相比氬弧焊更加適用于金屬陶瓷的焊接工藝。

金屬陶瓷釬焊氬弧焊

前言

金屬陶瓷是一種由金屬或合金同一種或幾種陶瓷相所組成的多相復(fù)合材料。金屬陶瓷既保持了陶瓷的高硬度、耐摩擦、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性，又具有較好的金屬韌性、電導(dǎo)性。在電真空行業(yè)中，金屬陶瓷可作為絕緣體，導(dǎo)體以及絕緣-導(dǎo)電復(fù)合體，起到簡化焊接工藝，改善電場分布的作用，具有很好的應(yīng)用前景。筆者立足于金屬陶瓷的應(yīng)用需求，著力開展以下兩方面的實(shí)驗(yàn)研究：

1)金屬陶瓷部件制備，實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷與絕緣陶瓷共體致密結(jié)合；

2)解決金屬陶瓷與金屬材料的焊接性，滿足結(jié)合強(qiáng)度與電真空氣密性要求，實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷與外部結(jié)構(gòu)良好的匹配性。

1　絕緣-金屬陶瓷一體化設(shè)計(jì)與制備

根據(jù)絕緣-金屬陶瓷的設(shè)計(jì)要求，絕緣-金屬陶瓷在結(jié)構(gòu)上具有一定的獨(dú)立性，同時(shí)界面應(yīng)嚴(yán)密結(jié)合，保持足夠的結(jié)合強(qiáng)度，使其成為不可分割的一體。由于金屬陶瓷與絕緣陶瓷有一定的相通性，即它們的原材料成分有部分重疊，這也是絕緣-金屬陶瓷可以結(jié)合的基礎(chǔ)，但兩者的性能又存在較大差異，如熱膨脹系數(shù)，電導(dǎo)性能等；同時(shí)絕緣-金屬陶瓷零件制備包括粉體制備、漿料制備、坯體成形、坯體加工、排膠、燒結(jié)等系列復(fù)雜工藝過程。因此，為滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)確保工藝的可實(shí)現(xiàn)性，絕緣-金屬陶瓷間的結(jié)合點(diǎn)是研究的難點(diǎn)。

針對絕緣-金屬陶瓷坯體制備開展了實(shí)驗(yàn)摸底，初步得到的結(jié)論是，粉體致密化結(jié)合是行之有效的技術(shù)途徑。根據(jù)上述介紹，金屬陶瓷與絕緣陶瓷含有部分相同的原材料，粉體的相互滲透為后期燒結(jié)致密化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其間形成的過渡層較好地緩解了兩者熱膨脹系數(shù)的差異及殘余應(yīng)力的存在。

圖1為絕緣-金屬陶瓷共燒零件實(shí)物圖。

圖1　絕緣-金屬陶瓷共燒零件實(shí)物圖

圖2、圖3、圖4分別為絕緣-金屬陶瓷燒結(jié)界面處的SEM、EDS及CLSM微觀結(jié)構(gòu)分析圖。

圖2　掃描電鏡(SEM)微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2中，左邊灰色部分為金屬陶瓷，右邊白色部分為絕緣陶瓷，中間為結(jié)合界面。從圖2可以看出，界面結(jié)合處有約50 μm寬度的顏色變化區(qū)，即絕緣-金屬陶瓷的過渡層，表明兩種材料相互有滲透。

圖3　掃描電鏡-能譜Al-Mo元素面分布微觀結(jié)構(gòu)圖

圖3上邊部分為Mo元素分布，下邊部分為Al元素分布，從 Al-Mo元素面分布微觀結(jié)構(gòu)圖可以佐證圖2關(guān)于兩種材料相互有滲透的結(jié)果。

圖4中，上邊部分為金屬陶瓷，下邊部分為絕緣陶瓷，中間部分為結(jié)合界面。CLSM掃描的特點(diǎn)可對裂紋有明顯鑒別性，從圖4可以看出，絕緣-金屬陶瓷界面結(jié)合密實(shí)，無剝離間隙。

圖4　激光共聚焦(CLSM)亞微觀結(jié)構(gòu)圖

2　金屬陶瓷氬弧焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究

金屬陶瓷應(yīng)用的另一重要方面是金屬陶瓷與外部結(jié)構(gòu)的匹配性問題。主要為解決金屬陶瓷與金屬材料的焊接性，滿足焊接強(qiáng)度與氣密性要求。金屬陶瓷焊接工藝實(shí)驗(yàn)擬從材料熔融性焊接及焊料熔融性焊接兩種方式進(jìn)行，前者選用氬弧焊焊接工藝，通過將金屬陶瓷與金屬材料在高溫下熔融成液態(tài)，兩種材料在界面處相互滲透與結(jié)合，達(dá)到均勻一致的焊接效果；后者選用釬焊焊接工藝，通過將材料界面處的焊料熔融成液態(tài)，擴(kuò)散并浸潤到材料表面微觀間隙中，達(dá)到將兩種材料連接為一體的焊接效果。

2.1金屬陶瓷焊接工藝實(shí)驗(yàn)

圖5　金屬陶瓷試熔實(shí)驗(yàn)示意圖

根據(jù)材料物理特性可知，氧化鋁熔點(diǎn)為2 053 ℃，金屬M(fèi)o的熔點(diǎn)為2 620 ℃，這兩種材料的熔點(diǎn)均超過2 000 ℃，特別是金屬M(fèi)o在常規(guī)焊接實(shí)驗(yàn)中是難熔性材料。由上述可知，金屬陶瓷是一種由金屬或合金同一種或幾種陶瓷相所組成的多相復(fù)合材料，因此金屬陶瓷不同于純金屬材料或純陶瓷材料，從微觀結(jié)構(gòu)上觀察，金屬晶粒與陶瓷晶粒彼此獨(dú)立，同時(shí)又通過間隙呈網(wǎng)狀分布狀連接。據(jù)此分析，相對于單一材料，金屬陶瓷的可熔性即熔點(diǎn)有所降低。圖5為金屬陶瓷試熔實(shí)驗(yàn)示意圖。從圖5可知，適當(dāng)調(diào)整氬弧焊接電流即可將金屬陶瓷熔融，亦即金屬陶瓷與金屬材料采用氬弧焊接存在可能性。

圖6為金屬鉬與金屬陶瓷氬弧焊接實(shí)驗(yàn)示意圖，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：鉬金屬凸臺與金屬陶瓷凹孔配合，其接縫處通過氬弧焊熔融焊接。

圖6　金屬鉬與金屬陶瓷氬弧焊接實(shí)驗(yàn)

圖7為金屬可閥與金屬陶瓷氬弧焊接實(shí)驗(yàn)示意圖。圖7(a)為焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，金屬可閥與金屬陶瓷各加工0.5 mm厚度的凸臺，兩者通過套封結(jié)構(gòu)連接，連接后的兩凸臺保持齊平，氬弧焊熔融兩凸臺達(dá)到焊接的目的。圖7(b)為氬弧焊接后端面狀態(tài)，可見氬弧焊接可實(shí)現(xiàn)金屬可閥與金屬陶瓷間的焊接。圖7(c)為焊接夾持處的狀態(tài)，可見焊接夾持處呈熔融態(tài)，表明該處因焊接電流較大造成了起弧狀態(tài)。同時(shí)對比圖7(a)、圖7(b)及圖7(c)可以看出，焊接后的金屬可閥發(fā)生較明顯的顏色變暗現(xiàn)象，表明金屬可閥與金屬陶瓷雖可實(shí)現(xiàn)氬弧焊接，但由于焊接電流較大造成材料氧化，存在不利影響。

氬弧焊接后經(jīng)強(qiáng)度測試，結(jié)果在較小壓力下，焊接處發(fā)生脫落，表明焊接強(qiáng)度較低，不能滿足使用要求。

圖7　金屬可閥與金屬陶瓷氬弧焊接實(shí)驗(yàn)

2.2金屬陶瓷氬弧焊接微觀結(jié)構(gòu)分析

圖8、圖9為金屬陶瓷表面經(jīng)氬弧焊接前后的形貌圖。

從圖8可以看出，氬弧焊接燒蝕前金屬陶瓷呈晶粒狀相互交錯(cuò)鑲嵌鏈接，晶粒間通過晶界相互連接成一體，其機(jī)械強(qiáng)度包括晶粒本身強(qiáng)度，晶粒與晶粒相互咬合強(qiáng)度以及晶界連接強(qiáng)度。

從圖9可以看出，燒蝕后的金屬陶瓷看似燒結(jié)成一體，但存在大量的燒蝕空洞等缺陷，而且熔融后的氧化鋁陶瓷及金屬M(fèi)o在快速冷卻后，晶粒來不及生長，

圖8　金屬陶瓷氬弧焊接燒蝕前SEM圖

呈亞納米級顆粒散布在燒蝕體中，由此造成其強(qiáng)度較低，難以滿足使用要求。

圖9　金屬陶瓷氬弧焊接燒蝕后SEM圖

2.3金屬陶瓷微區(qū)XRD物相分析

圖10為金屬陶瓷微區(qū)XRD物相分析圖。圖10采用XRD衍射分析儀針對絕緣-金屬陶瓷共燒體中金屬陶瓷、金屬陶瓷與氧化鋁共燒界面及氧化鋁陶瓷進(jìn)行了物相分析。

由圖10可知，金屬陶瓷與共燒界面除含有單質(zhì)Mo元素物相，其余物相峰則與氧化鋁物相完全相同。這說明金屬陶瓷與絕緣陶瓷雖共燒成一體，但金屬M(fèi)o與氧化鋁物相相對獨(dú)立，沒有形成新的物相。這也證實(shí)了氬弧焊燒蝕熔體中金屬M(fèi)o與氧化鋁陶瓷更多地依賴物理結(jié)合方式，因此造成了其結(jié)合力較低。

圖10　金屬陶瓷微區(qū)XRD物相分析圖

3　金屬陶瓷釬焊工藝實(shí)驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)可知，氬弧焊接通過熔融焊接材料的方法存在諸多不足，因此需要另辟金屬陶瓷與絕緣陶瓷焊接匹配方式。釬焊工藝采用的是焊料熔化為熔融狀態(tài)，而焊接材料非熔狀態(tài)的一種焊接方式，因此釬焊工藝是探究金屬陶瓷與外接口匹配的另一重要方式。金屬陶瓷于電真空器件中的應(yīng)用需重點(diǎn)關(guān)注兩方面的性能：一是氣密性；二是焊接強(qiáng)度。

圖11為金屬陶瓷與可閥氣密性檢漏釬焊樣品。

圖11中，兩端中空材料為金屬可閥，中間圓片為金屬陶瓷材料，兩種材料中間為Ag焊料。該樣品經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀測試，其氣密性漏率小于1.0×10-11Pa·m/s。

圖12為金屬陶瓷與可閥焊接強(qiáng)度測試釬焊樣品。圖12中兩端類似抗拉件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料為金屬可閥，中間薄圓片材料為金屬陶瓷，兩種材料中間為焊接材料，為對比焊接材料及工藝變化對焊接強(qiáng)度的影響，特進(jìn)行了兩種工藝實(shí)驗(yàn)，一種是采用Ag焊料鍍鎳工藝；另一種是Cu焊料免鍍鎳工藝。經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)抗拉強(qiáng)度性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　金屬陶瓷與可閥焊接工藝實(shí)驗(yàn)對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用Ag焊料鍍鎳工藝及Cu焊料免鍍鎳工藝均能實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷與金屬可閥的釬焊連接。從表1測試結(jié)果來看，較之Ag焊料，采用Cu焊料不僅可簡化焊接工藝而且顯著提高了金屬陶瓷與金屬可閥的焊接強(qiáng)度。

4　結(jié)論

通過粉體致密化結(jié)合，采用氫氣氣氛燒結(jié)等技術(shù)途徑，可實(shí)現(xiàn)絕緣-金屬陶瓷制備，結(jié)合SEM、EDS及

圖11　金屬陶瓷與金屬可閥氣密性檢漏釬焊樣品

圖12　金屬陶瓷與可閥焊接強(qiáng)度測試釬焊樣品

CLSM微觀結(jié)構(gòu)分析，絕緣-金屬陶瓷界面形成的過渡層較好地緩解了兩者熱膨脹系數(shù)的差異及殘余應(yīng)力，確保了上述兩種材料的致密無縫結(jié)合。

結(jié)合工藝實(shí)驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)及物相分析，金屬陶瓷雖可與金屬實(shí)現(xiàn)氬弧焊接，但存在以下不足：

1)由于鉬金屬及氧化鋁陶瓷熔點(diǎn)高，增大了焊接工藝的難度，同時(shí)影響了相匹配金屬材料的性能；

2)氬弧焊接工藝屬于快速熔融及快速降溫過程，氧化鋁陶瓷在該工藝條件下難以達(dá)到晶粒生長的效果；

3)金屬陶瓷共燒體中無新物相生成，熔融金屬M(fèi)o通過物理作用連接，其受氧化鋁顆粒阻隔，容易形成燒蝕空洞等缺陷，因此金屬陶瓷不適于采用氬弧焊接工藝焊接。

金屬陶瓷與金屬材料焊接工藝實(shí)驗(yàn)對比中，釬焊工藝較氬弧焊工藝具有較明顯的優(yōu)勢：

1)釬焊部件連接處滿足電真空氣密性要求；

2)釬焊工藝可以實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷與金屬材料的穩(wěn)定連接，其焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)大于氬弧焊接工藝；

3)采用Cu焊料免鍍鎳工藝可簡化焊接工藝條件。

不過，金屬陶瓷與金屬材料的釬焊結(jié)合強(qiáng)度適應(yīng)于更高應(yīng)用需求，首先其工藝條件尚需進(jìn)一步優(yōu)化；其次在金屬陶瓷應(yīng)用中可能會接觸到特殊結(jié)構(gòu)的要求，其封接匹配技術(shù)尚需進(jìn)一步拓展。

Experiment Study on Insulator-cermet and Joining Technics with Metal

Huang Xiaojun, Dai Jingyi, Li Zhiping, Xu Wanli, Zhou Jingchuan, Yi Xinyu, Huang Yun

(Institute of Electronic Engineeing,China Academy of Engineering Plysics,Sichuan,Mianyang,621999)

The recent progress of research on insulator-cermet preparation and it's joining with metal was reviewed. Analyzing the microstructure and element of the insulator-cermet interface shew that insulator and cermet joined tightly. The performance comparison between different joining technics shew that the brazing was more appropriate than argon arc welding for cermet.

Cermet; Brazing; Argon arc welding

黃曉軍(1973-)，碩士，副研究員；主要從事陶瓷材料研究工作。

TG148

A

1002-2872(2016)09-0013-05