陶瓷/金屬連接界面殘余應(yīng)力緩解策略研究

陳本樂，王星星，何 鵬，彭 進，封小松，陳玉華，徐 鍇，倪增磊，凌自成，原志鵬，方乃文，范亞磊，李 紅

1. 華北水利水電大學 河南高效特種綠色焊接國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450045

2. 哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245

4. 南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌 330063

5. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

6. 中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016

7. 北京工業(yè)大學 材料與制造學部，北京 100124

0 前言

陶瓷/金屬因其具有良好的硬度、耐磨性和高化學穩(wěn)定性，成為制造業(yè)中不可或缺的材料[1]。陶瓷/金屬復合材料在功能部件、防腐蝕和熱保護系統(tǒng)及輕量化結(jié)構(gòu)的制造中發(fā)揮著不可替代的作用，例如，航天飛行器的發(fā)動機和保護系統(tǒng)等領(lǐng)域[2-3]。在醫(yī)學領(lǐng)域，鈦合金與生物陶瓷復合材料[4]在牙科和骨科也有重要應(yīng)用，如金屬Ti 和Al2O3陶瓷的連接[5]。在電力電子領(lǐng)域，陶瓷/金屬釬焊有廣泛應(yīng)用，活性金屬釬焊法連接Si3N4陶瓷/Cu的IGBT模塊已應(yīng)用于汽車電力控制[6]。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，柴油發(fā)動機氣門需要與凸輪高頻摩擦，也涉及到陶瓷/金屬連接[7]。但由于陶瓷與金屬的化學鍵型、理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)等方面存在較大差異，普通釬料難以實現(xiàn)對二者同時潤濕[8]。金屬與陶瓷焊接后，在接頭冷卻過程中，由于母材理化性能不同，熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異可導致接頭產(chǎn)生過多殘余應(yīng)力，損害構(gòu)件性能[9]，甚至導致微裂紋產(chǎn)生[10]。隨著構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸和應(yīng)用條件不斷提高，對接頭強度和可靠性要求也越來越高。

緩解殘余應(yīng)力一直是陶瓷/金屬釬焊研究難點。目前緩解殘余應(yīng)力主要方法有4種：（1）工藝參數(shù)優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)釬焊溫度和保溫時間來緩解接頭殘余應(yīng)力；（2）施加中間層[11]。金屬箔、碳材料和泡沫層可承受載荷，抑制母材基體變形，減小金屬到陶瓷線膨脹系數(shù)梯度，緩解殘余應(yīng)力；（3）復合釬料[12]。在普通釬料中加入一定體積比的高溫合金、碳纖維及陶瓷顆粒作為增加相，使釬料具有良好填縫能力，得到接頭具有良好高溫強度和抗沖擊性能；（4）表面結(jié)構(gòu)設(shè)計[13]。通過鉆探、腐蝕、預(yù)氧化和高溫滲透對陶瓷或復合材料進行表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，可增加釬縫連接效果，從而緩解釬縫中的殘余應(yīng)力集中。

目前有關(guān)殘余應(yīng)力緩解途徑主要聚焦于某種特定方法，相關(guān)研究較為零散，未見多種方法的系統(tǒng)評述。因此，本研究針對工藝參數(shù)優(yōu)化、施加中間層、復合釬料和表面結(jié)構(gòu)設(shè)計4種主要方法，系統(tǒng)綜述國內(nèi)外有關(guān)緩解殘余應(yīng)力途徑相關(guān)研究報道，提出目前緩解殘余應(yīng)力研究的不足和未來發(fā)展方向，為相關(guān)領(lǐng)域工程研究和技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 陶瓷/金屬連接界面殘余應(yīng)力緩解研究總體概況

縱觀國內(nèi)外學者的研究，多以工藝參數(shù)優(yōu)化、施加中間層、復合釬料和表面結(jié)構(gòu)設(shè)計為主。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅國內(nèi)發(fā)表的有關(guān)殘余應(yīng)力緩解途徑的研究成果論文已超過 100 篇（包括期刊、會議、學位論文），具有代表性的主要有哈爾濱工業(yè)大學宋曉國課題組、大連理工大學董紅剛課題組、北京科技大學黃繼華課題組及北京航空航天大學郭偉課題組。根據(jù)緩解方法不同，將具有代表性的研究成果歸納、總結(jié)，如表1所示。

表1 殘余應(yīng)力緩解途徑和主要研究內(nèi)容Table 1 Residual stress relief approaches and main research contents

2 陶瓷/金屬連接界面殘余應(yīng)力緩解研究現(xiàn)狀

為緩解接頭中殘余應(yīng)力，國內(nèi)外學者做了大量研究。目前已報道的主要緩解方法是優(yōu)化工藝參數(shù)、施加中間層、復合釬料和表面結(jié)構(gòu)設(shè)計。陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服極限、泊松比等物理力學性能存在較大差異，焊接接頭界面處易產(chǎn)生殘余應(yīng)力[27]。目前這四種方法對于緩解陶瓷/金屬接頭中殘余應(yīng)力具有良好效果，其應(yīng)用方面也取得豐碩成果。

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

為緩解殘余應(yīng)力，改善釬焊質(zhì)量和接頭力學性能，國內(nèi)外學者圍繞焊接溫度、升溫速度、保溫時間和冷卻速度等參數(shù)進行優(yōu)化，探究最佳試驗參數(shù)。

Barrena M I 等[28]通過試驗檢測90MnCrV8 和WC-10Co 連接接頭殘余應(yīng)力并對接頭力學性能和微觀組織進行剖析。研究證明，增加釬焊時間并不總是能提高釬焊接頭抗剪能力，釬焊時間達到峰值后，隨溫度增加，接頭強度反而降低，在8～12 min，能獲得最大剪切強度和較小殘余應(yīng)力接頭。Wang等[29]采用等離子燒結(jié)法制備Ti（C7，N3）/TiB2/WC 金屬陶瓷材料，金屬/陶瓷材料在溫度為1 550 ℃，TiB2和WC 體積分數(shù)分別為20%、15%時的力學性能變化和保持期如圖1所示。刀具材料力學性能隨著保溫時間延長而先升高后降低，當保溫時間為30 min時，刀具材料抗彎強度、硬度和斷裂韌性均達到最大值。該方法通過調(diào)控相關(guān)參數(shù)研究釬焊溫度和保溫時間對接頭殘余應(yīng)力的影響，并且找出添加物的最佳體積分數(shù)，結(jié)果表明，加入TiB2和WC能有效緩解接頭殘余應(yīng)力集中。

圖1 力學性能的變化及其保持期[28]Fig.1 Changes in mechanical properties and their retention period[28]

Jiang H 等[30]研究不同釬焊溫度和保溫時間下AlON/Ti2AlNb 接頭剪切強度和微觀組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，隨著釬焊溫度不斷提高，接頭強度先增大后減小。在低釬焊溫度下，釬料與AlON反應(yīng)不足，導致接頭強度不高。當釬焊溫度升高時，反應(yīng)層變厚，強度增加。當溫度再次升高時，釬料和母材之間熱膨脹系數(shù)不匹配，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。隨著保溫時間延長，釬料流量增大，釬縫縮短，接頭強度升高。

2.2 施加中間層

為保證焊接件的強度和釬焊過程中陶瓷/金屬能夠完美結(jié)合，在其中間加入緩解殘余應(yīng)力的過渡層，是應(yīng)用廣泛、效果良好的方法之一。

吳銘方等[31]選用Cu、Nb、Mo箔作為中間層，在特定的焊接參數(shù)條件下對Ti（C，N）基金屬陶瓷/40Cr 鋼進行釬焊試驗，結(jié)果表明相對于其他元素，Cu中間層可有效釋放接頭殘余應(yīng)力，防止接頭產(chǎn)生裂紋，而Nb、Mo中間層緩解殘余應(yīng)力能力較差。任艷紅等[32]認為金屬泡沫可用作中間層材料，有效緩解接頭殘余應(yīng)力，并且存在一個最佳的泡沫層厚度。金柏希等[33]在釬料中引入與Al2O3陶瓷熱膨脹系數(shù)接近的難熔金屬中間層，可改善接頭應(yīng)力分布及減少應(yīng)力集中。此外，難熔金屬Ta 箔和Nb 箔具有較好的塑性和延展性，可抑制接頭微裂紋擴展，有利于提高接頭力學性能。根據(jù)常用釬焊金屬選擇和搭配，常用塑性較好的Cu箔、Ni箔、Mo箔作為中間層輔助釬焊。Guo 等[34]發(fā)現(xiàn)泡沫Ni 厚度對抗剪強度影響較大，當泡沫Ni厚度為0.2 mm時，平均抗剪強度高達180 MPa（見圖2a）。在釬焊和高低溫交替環(huán)境中，加入泡沫Ni層作為緩沖層能緩解接頭殘余應(yīng)力，顯著提高熱循環(huán)壽命。施加0.2 mm泡沫Ni 釬焊Si3N4陶瓷和Invar 合金時，釬焊接頭斷裂在釬縫處，表明泡沫Ni可降低殘余熱應(yīng)力。

圖2 泡沫鎳厚度對Si3N4/Invar釬焊接頭剪切強度和熱循環(huán)失效的影響[34]Fig.2 Effect of nickel foam thickness on shear strength and thermal cycle failure of Si3N4/Invar brazing joints[34]

李濤[35]發(fā)現(xiàn)采用表面覆有石墨的泡沫銅中間層，對接頭殘余應(yīng)力緩解效果最好，通過增大釬縫塑性變形能力和減小熱膨脹系數(shù)失配聯(lián)合機制，降低接頭殘余應(yīng)力。王永雷[36]認為連接層中增強相引入會改變接頭中熱應(yīng)力大小以及連接層中應(yīng)力分布，但不會改變母材中應(yīng)力分布特點。Cárdenas等[37]在釬焊過程將Si3N4/Cu-Zn/Nb/Cu-Zn/AISI-304 組合成夾層結(jié)構(gòu)，Si3N4陶瓷制備過程中添加劑用量對結(jié)合過程中Si3N4分解速率有直接影響。關(guān)于Si3N4陶瓷的研究，Guo等[38]研究設(shè)計了一種新型Mo/Ag 復合中間層用于Si3N4和316L 的釬焊，采用半圓柱形開槽設(shè)計Mo中間層可將殘余應(yīng)力從Si3N4層轉(zhuǎn)移到316L層，從而降低Si3N4層殘余應(yīng)力。Qin等[23]在TiZrNiCu 釬料中添加Cu/Mo 作為復合中間層，對C/C復合材料與TC4合金進行真空釬焊，結(jié)果表明，Cu/Mo 中間層既有效緩解了殘余應(yīng)力還提高了接頭抗剪切能力。王斌[39]采用TiCo 高溫釬料進行釬焊C/SiC和Nb，碳中間層增加TiC顆粒添加量，通過力學性能測試發(fā)現(xiàn)，接頭強度大幅改善，最大剪切強度為144.4 MPa，比純TiCo 釬料的釬焊接頭強度提高47.3%。

Park 等[17]采用相同方法對Si3N4陶瓷和Ni 合金進行釬焊，并對中間層層數(shù)進行調(diào)控，結(jié)果表明隨著層數(shù)增加，釬焊接頭殘余應(yīng)力緩解效果增加。但由于層數(shù)增加，加工工藝變得更加復雜，甚至反向影響釬焊界面性能。楊雄等[18]用有限元方法分析Al2O3陶瓷與45 鋼擴散焊接殘余應(yīng)力分布，模擬不同中間層Cu、Ti、Ni 及這三種材料自由組合成的復合中間層對殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用單層中間層時，Cu中間層對于殘余應(yīng)力緩解效果更加明顯；復合中間層緩解殘余應(yīng)力能力優(yōu)于單層，不同厚度復合材料對殘余應(yīng)力影響不盡相同。Ferrante M 等[20]開展了類似模擬分析，證實了楊雄等人的觀點。朱松等[40]采用有限元法分析Ni-Cr合金與陶瓷連接冷卻過程中界面形成的殘余應(yīng)力及其分布特征。結(jié)果表明，Ni-Cr 合金與陶瓷存在較大線膨脹系數(shù)差，采用鈦合金中間層能夠緩解殘余應(yīng)力，但試驗并未探究出中間層最優(yōu)參數(shù)。何鵬等[41]提出中間層殘余應(yīng)力因子Rf和中間層厚度因子Tf概念，盡量選擇Rf、Tf較小的中間層，同時中間層厚度應(yīng)在保證形成充分物理接觸前提下選取較小厚度，接頭殘余應(yīng)力的緩解效果更加顯著。

2.3 復合釬料

為緩解釬焊接頭殘余應(yīng)力，在普通釬料中添加一定體積比的各種形態(tài)增強相，如高溫合金、碳纖維和陶瓷顆粒。該類釬料不僅具有良好的填縫能力，得到的接頭強度和力學性能也更佳。

史康橋[42]采用在釬料中加入多孔金屬泡沫Cu形成AgCu/泡沫Cu/AgCu復合釬料對其進行釬焊連接，泡沫Cu 的加入使得釬縫塑性變形能力更強，有效緩解接頭中殘余應(yīng)力，并且使殘余應(yīng)力峰值向釬縫中移動。李如月[12]使用（Ag72Cu28）97Ti3+5vol.%Mop復合釬料釬焊Si3N4/316L，接頭強度隨Ag厚度增加呈先升后降趨勢，達到進一步緩解接頭殘余應(yīng)力作用。Song 等[8]在Ag-Cu-Ti 釬料中添加Si3N4p用于釬焊Si3N4陶瓷/TiAl 合金，結(jié)果表明接頭中形成的Ti5Si3p與TiNp組織的降低Si3N4與TiAl之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配程度，顯著降低接頭殘余應(yīng)力。陶瓷與金屬真空釬焊是一種相對簡單和經(jīng)濟的選擇。Wang 等[43]采用Ag-TiH2復合釬料真空釬焊ZrO2陶瓷與GH4169 合金。研究表明，釬料中Ti 以及GH4169 合金中溶解的Ni 在ZrO2基體附近形成Ti2O+Ni2Ti4O 雙反應(yīng)層，這對陶瓷/金屬結(jié)合至關(guān)重要。而當TiH2含量超過15%，由于連續(xù)TiNi反應(yīng)層對GH4169合金充分溶解到釬料中的阻擋作用，Ni2Ti4O 層消失，形成厚Ti2O 層。當釬焊溫度升高或保溫時間延長時，過量溶解的Ni完全消耗Ti2O層，形成厚而脆的Ni2Ti4O層。單一Ti2O層或Ni2Ti4O層都會導致釬焊接頭剪切強度降低。ZrO2/Ag-TiH2/GH4169 釬焊過程如圖3 所示。釬焊接頭界面形成過程與復合釬料Ag-TiH2中TiH2含量、釬焊溫度和保溫時間密切相關(guān)。

圖3 低TiH2含量下的ZrO2/Ag-TiH2/GH4169釬焊接頭[43]Fig.3 ZrO2/Ag-TiH2/GH4169 brazed joint with low TiH2 content[43]

楊保琳[44]設(shè)計Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu 軟性復合中間層釬料釬焊SiC/Kovar，有效抑制母材溶解及釬縫中脆性化合物含量。復合中間層釬焊接頭殘余應(yīng)力拱形度相對較為平緩，應(yīng)力峰值為171 MPa，相比，Ag-Cu-Ti釬料接頭應(yīng)力峰值降低59%。Blugan等[22]在用于陶瓷/金屬連接活性金屬釬料合金中引入SiC顆粒作為增強體。在室溫和高溫下研究釬料顆粒增強對陶瓷/金屬接頭抗彎強度影響。實驗結(jié)果表明接頭內(nèi)殘余應(yīng)力得到松弛，抗剪切能力得到提升。呂金玲等[45]依次采用AlN/AgCuTi 復合釬料、TiN/AgCuTi 復合釬料和TiN+Al/AgCuTi 復合釬料連接AlN陶瓷與無氧Cu，復合釬料作用是減少反應(yīng)層厚度，提高接頭性能和緩解殘余應(yīng)力。Halbig等[24]同樣在釬料中添加SiC 活性金屬，在釬焊過程中不僅能潤濕母材，還可得到殘余應(yīng)力較小的釬焊接頭，釬料中含有43vol.% SiC時其熱膨脹系數(shù)降低45%～60%。何華敏等[46]設(shè)計了一種新型（Au79Ni17Pd4）96Ti4（wt.%）高溫釬料，試驗表明，隨著Pd含量增加，接頭內(nèi)Pd2Si 體積分數(shù)增大，對降低接頭內(nèi)殘余應(yīng)力和提高接頭高溫強度均有助益。李雅范等[47]在釬料中加入Al2O3顆粒，發(fā)現(xiàn)Al2O3含量變化會導致釬焊接頭殘余應(yīng)力隨之變化。

楊佳[48]采用AuCuTi 釬料進行焊接，后通過添加Mo 中間層對合金元素進行阻隔，同時緩解界面殘余應(yīng)力。還通過向釬料中添加B元素進一步提高接頭使用溫度，且該復合釬料對接頭強度有著明顯提升作用。Gui等[49]采用（Ti-Zr-Cu-Ni）+W復合釬料釬焊Cf/SiC 復合材料與TC4合金，發(fā)現(xiàn)復合釬料反應(yīng)生成TiC、Ti3SiC2、Ti5Si3等反應(yīng)相可有效緩解接頭殘余應(yīng)力。He 等[50]和Wang 等[51]采用（Ag-Cu-Ti）+Mo、（Ag-Cu-Ti）+TiN 復合釬料對Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼進行釬焊，結(jié)果表明適當添加高溫合金能起到降低陶瓷/金屬熱膨脹系數(shù)和緩解釬焊接頭殘余應(yīng)力效果。劉佳音等人[52]設(shè)計了Ag-Cu-Ti（+Mop）/Cu/Ag-Cu 復合釬料釬焊多孔Si3N4陶瓷與Invar合金，發(fā)現(xiàn)多孔陶瓷在孔隙及搭接棱角位置存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，反應(yīng)層一方面提高子模型整體熱應(yīng)力，另一方面讓模型內(nèi)部應(yīng)力更加均勻。含有Mo 顆粒釬料具有一定承載能力，對接頭性能產(chǎn)生有利影響。

Qin[53]選用平均尺寸為4.6 μm 的SiC 顆粒增強AgCuTi，用于TC4合金和C/C 復合材料釬焊，使用15%SiC 讓其分布在接頭中，與釬焊合金中Ti 元素形成反應(yīng)界面（見圖4a），保證釬焊合金與顆粒之間有效結(jié)合，接頭強度從22 MPa 提高到29 MPa。Wang[54]選用TiC 顆粒增強AgTi 釬料釬焊C/C 復合材料和GH3044合金。TiC可有效地與Ti結(jié)合（見圖4b），當TiC 的含量增加到24vol.%時，接合強度從40 MPa升至67.2 MPa。有限元計算表明，殘余應(yīng)力降低近20.1%。值得注意的是，微米級增強顆粒分布均勻性有限，增強效果與納米級相存在差距。Zhou[55]使用納米級Al2O3顆粒增強AgCuTi 釬料釬焊C/C 和TC4，Al2O3顆粒均勻分布在接頭中（見圖4c），在接頭中穩(wěn)定存在。當添加量為27.8wt.%時，接合強度可達0.3 MPa?；谙嗤呗?，TiN粒子和B4C 顆粒增強釬料可達到良好的應(yīng)力消除效果（見圖4d）。

圖4 陶瓷合金接頭的顯微組織釬焊顆粒增強釬焊合金[53-55]Fig.4 Microstructure of a ceramic alloy joint brazed particle rein‐forced brazed alloy[53-55]

Feng[56]為解決添加增強材料可能會削弱釬縫變形能力的問題，設(shè)計具有“刺猬狀”增強簇的AgCu基復合釬料。采用AgCu+NbB2復合釬料釬焊ZrB2-SiC 陶瓷和TC4-TiBw復合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著NbB2含量增加，界面層厚度繼續(xù)減小，在NbB2含量為2%時接合強度最大，如圖5所示。

圖5 不同含量的NbB2對應(yīng)的接頭剪切強度[56]Fig.5 Shear strength of joints corresponding to different content of NbB2[56]

對于添加顆粒釬焊合金，顆粒與釬焊合金之間界面將承擔部分應(yīng)力，接頭應(yīng)力集中將大大緩解。顆粒相存在延長裂縫擴展路徑，可有效提高接頭強度。

2.4 表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

陶瓷與金屬的性質(zhì)在界面處發(fā)生變化，界面處應(yīng)力集中較高。由于陶瓷側(cè)反應(yīng)層多為脆性化合物，成為接頭薄弱部分，該部分易發(fā)生斷裂。陶瓷與金屬接觸表面在釬焊后，溫度冷卻過程中會產(chǎn)生界面殘余應(yīng)力。通過設(shè)計陶瓷或者陶瓷基復合材料，在母材表面加工成彎曲面或者更為復雜的界面。在反應(yīng)過程中增加連接面積，既能使母材得到更好的潤濕，也能實現(xiàn)陶瓷/金屬性能過渡。一般陶瓷表面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有鉆探、腐蝕、預(yù)氧化、高溫滲透等類型。

Li[7]介紹一種通過飛秒激光表面加工改善YSZ和Ti6Al4V釬焊的方法。當加工速度為150 μm/s時，最高強度為95 MPa（比扁平Y(jié)SZ/Ti2Al6V 接頭高4.2%）。研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷側(cè)殘余應(yīng)力分布呈非線性，通過對陶瓷表面加工，減小反應(yīng)層中最大剪切應(yīng)力，有助于提高接頭服役性能。Ba[57]設(shè)計SiCf/SiC刷狀表面結(jié)構(gòu)來減少殘余應(yīng)力和改善界面結(jié)合從而獲得堅固的SiCf/SiC 合金接頭。SiC 纖維在低溫下通過熱腐蝕暴露，形成SiC纖維增強AgCuTi的過渡層。過渡層取代原有板式反應(yīng)層，有效增加連接面積，通過減少SiCf/SiC 與合金之間性能不匹配來降低殘余應(yīng)力。從圖6a可以看出，隨著腐蝕時間的不斷增加，腐蝕深度越來越明顯。圖6b、6c 表明，SiC 纖維承受初級殘余應(yīng)力，有效降低接頭應(yīng)力。垂直纖維增強效果理論值與計算值如圖6d所示，隨著腐蝕深度增加，連接強度呈線性增加后緩慢增長，與剪切強度的實際變化相匹配。結(jié)果表明，腐蝕時間與接頭剪切強度有直接關(guān)系。

圖6 （a）腐蝕深度與時間的關(guān)系；（b）原始SiCf/SiC釬焊接頭殘余應(yīng)力分布；（c）SiCf/SiC在400 ℃腐蝕45 min后釬焊接頭殘余應(yīng)力分布；（d）腐蝕深度與剪切強度的關(guān)系；（e）原始SiCf/SiC釬焊接頭的斷裂形態(tài)；（f）SiCf/SiC在400 ℃腐蝕45 min后釬焊接頭斷裂形態(tài)[57]Fig.6 （a） Relationship between corrosion depth and time； Distribution of residual stress in the joint used （b） Original SiCf /SiC and （c） Composite material corroded at 400 ℃ for 45 min； （d） The estimated and actual relationship between corrosion depth and shear strength； The fracture mor‐phology of joints using （e） original SiCf /SiC and （f） SiCf /SiC were corroded at 400 ℃ for 45 min[57]

Yang[26]采用碳控復合材料表面改性方法，結(jié)合預(yù)氧化處理和碳納米管原位生長，在Nb-C/C 釬縫中形成增強界面結(jié)構(gòu)。碳納米管生長可改善潤濕性，因其有利于液體釬料在環(huán)形間隙中的填充。通過Ti和碳納米管之間的反應(yīng)形成具有細TiC顆粒的增強相接頭。預(yù)氧化和碳納米管生長后釬焊接頭剪切強度達到62 MPa。C/C 復合材料表面改性后接頭剪切強度提高的原因為殘余應(yīng)力減小、結(jié)合面積增大和釘孔效果增強。He[25]采用高溫滲透方法，將Si-Zr合金加入Cf/C復合材料，不僅能潤濕母材，還可緩解接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力，接頭剪切強度可達到32 MPa。

綜上所述，表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要是將陶瓷或者陶瓷基復合材料與合金金屬在釬焊后內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力集中起來，后以梯度過渡方式緩解界面殘余應(yīng)力，進而提高釬焊接頭強度。

3 結(jié)論及展望

由于陶瓷與金屬異質(zhì)材料熱膨脹系數(shù)差異很大，界面殘余應(yīng)力過大易導致接頭失效，為有效緩解殘余應(yīng)力這個難題，本文重點介紹和分析了4 種方法對釬焊界面的影響。其中采用中間層、復合釬料均是對釬料中合金含量進行調(diào)節(jié)或添加其他物質(zhì)提高釬焊接頭強度和力學性能，保證釬焊界面微觀組織連續(xù)性，降低陶瓷與金屬連接不穩(wěn)定性與不匹配程度，最大可能地緩解釬焊接頭殘余應(yīng)力；工藝參數(shù)優(yōu)化和表面結(jié)構(gòu)設(shè)計是在母材表面進行改性，通過物理方法對釬焊后接頭殘余應(yīng)力進行有效緩解。這些應(yīng)力調(diào)節(jié)方法對陶瓷與金屬異質(zhì)連接研究具有積極意義，可有效提高陶瓷與金屬復合材料構(gòu)件實際服役性能。但目前研究還存在諸多不足需重點關(guān)注：

（1）陶瓷/金屬連接界面殘余應(yīng)力緩解側(cè)重于試驗性探索研究，殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理未完全解析闡明清楚?，F(xiàn)有應(yīng)力調(diào)節(jié)方法較為單一，且自身存在很大缺點，可同時結(jié)合不同方法，發(fā)揮各自優(yōu)點。需要注意的是，雖然復合方法預(yù)期能大幅度緩解殘余應(yīng)力，但其成本較高，效率較低。

（2）實際應(yīng)用亟需大尺寸結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)節(jié)。目前，實驗接頭調(diào)節(jié)往往是小尺寸的，而在實際工業(yè)生產(chǎn)中，陶瓷與金屬復合材料零件多為大尺寸結(jié)構(gòu)件，此類部件殘余應(yīng)力通常會影響整個裝備運行，因此對接頭應(yīng)力調(diào)節(jié)提出更高要求。目前大多數(shù)研究中陶瓷與金屬接頭及界面殘余應(yīng)力均較小，易消除。但如果在大型裝備制造生產(chǎn)過程中，所需結(jié)構(gòu)和材料較為龐大，那么實驗室中所遇到的難題也會放大。

（3）應(yīng)重點關(guān)注陶瓷/金屬異質(zhì)連接件應(yīng)力緩解后的功能性應(yīng)用?，F(xiàn)有基礎(chǔ)研究只注重釬焊接頭強度，對于耐磨、耐腐蝕性及抗熱震性關(guān)注較少。應(yīng)理論聯(lián)系實際，全面關(guān)注陶瓷/金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性和功能性，有助于陶瓷/金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)?；茝V應(yīng)用。