陶瓷與金屬間的焊接技術研究

摘 要：異種材料的復合利用具有廣闊應用前景。陶瓷與金屬因化學、熱學性質不同，直接焊接存在諸多困難。為實現陶瓷與金屬的可靠連接，開展焊接技術研究意義重大。本文介紹了釬焊、擴散焊、自蔓延高溫合成焊接等主要焊接方法，分析了界面殘余應力的成因及釋放方式，以期為陶瓷與金屬異種焊接提供理論基礎和技術支持。

關鍵詞：陶瓷；金屬；焊接技術

1 前言

隨著現代科學技術的發展，陶瓷與金屬異質材料的復合利用在航空航天、電子信息等領域具有廣闊的應用前景。但由于陶瓷與金屬在熱膨脹系數、熱傳導率、界面結合力等方面存在明顯差異，直接焊接兩種材料存在困難。為實現陶瓷與金屬的可靠連接，開展異種材料間的連接與界面控制技術研究具有重要意義。

2陶瓷與金屬焊接的難點

2.1化學組成和結構差異

陶瓷和金屬之間存在顯著的化學組成和原子排列結構的差異。陶瓷主要由共價鍵和離子鍵組成，具有脆性斷裂特點；而金屬主要由金屬鍵組成，可實現塑性變形。陶瓷氧化鋁的化學式為Al2O3，化學計量比為2：3；而金屬鋁的化學式為Al，不含氧原子，這兩種完全不同的化學組成和結構導致陶瓷與金屬間原子結合強度存在明顯差異，直接焊接時，必須克服這種結構和組成差異，否則會導致連接強度不足。

2.2物理性質差異

陶瓷與金屬之間在熱物理性質上存在明顯差異。與金屬相比，陶瓷具有較低的熱導率、較小的熱膨脹系數以及較慢的熱應力釋放速率。具體來說，陶瓷材料的熱導率通常在2030 W/（m·K）左右，遠低于金屬材料的50400 W/（m·K）；陶瓷的線膨脹系數約為（48）×10-6/°C，也明顯低于金屬的（1124）×10-6/°C；此外，陶瓷回散時間常為金屬材料的10～100倍。這些特性使陶瓷與金屬直接焊接時，界面處會產生大量熱應力。另外，陶瓷與金屬在熔點、熱容量、密度等參數上也存在顯著差異，這增加了選擇合適焊接工藝參數的難度[1]。

2.3濕潤性差異

陶瓷表面具有高度的化學穩定性和惰性，很難與活性金屬實現良好的濕潤。陶瓷基體材料SiC的接觸角可高達140°，而金屬基體NiCrAl的接觸角僅為30°左右，兩種材料存在巨大的界面自由能差異，這會導致活性金屬釬料與陶瓷基體之間的結合力較差。Shi等研究表明，陶瓷表面存在的氧化硅等氧化物會降低其對釬料的濕潤性。此外，陶瓷表面的粗糙度也會影響其濕潤性。Ra約為1.5μm的陶瓷表面接觸角顯著高于0.18μm的光滑表面。

2.4界面反應層脆弱

在陶瓷與金屬的異種焊接過程中，由于兩種材料的熱膨脹系數和晶體結構差異，界面處常常會發生一定程度的元素互擴散，形成反應層。這種界面的反應層大多比較脆弱，其斷裂強度往往只有基體材料的30%左右。例如，在SiC陶瓷與Ti-6Al-4V鈦合金擴散焊接中觀察到約5μm厚的反應層，其硬度僅為基體的35%；在Al2O3陶瓷與銅材料之間的直接焊接中，銅中的Al元素可擴散入陶瓷基體，在界面生成CuAlO2反應層，該層脆性較大。反應層的脆弱會導致界面粘結強度下降，從而影響焊接質量。

3陶瓷與金屬焊接的主要方法

3.1釬焊

釬焊是一種簡單有效的異種材料連接方法，其原理是利用熔點較低的金屬間化合物（釬料）在高于自身熔點的溫度下熔融濕潤固體基體，基體表面溶解并在釬料中擴散，最終在界面形成中間層實現連接。釬焊用于陶瓷與金屬的連接效果出色，工序簡單，對基體損傷小，可批量生產。但由于陶瓷與金屬熱物理性質差異較大，導致釬焊過程中存在界面反應不充分、殘余熱應力過大等問題，需要優化釬焊材料及參數來獲得高質量的連接[2]。

釬料是釬焊過程中最關鍵的影響因素，其組成和性能直接決定了連接的質量和力學性能。理想的釬料需要具備以下性質：良好的潤濕性可使釬料覆蓋基體表面；優異的鋪展性可使釬料均勻分布于基體間隙；適當的粘度可有效控制釬料流動；合適的熱物理參數可減輕熱應力影響；與母材有良好的互溶擴散作用以形成中間層。常用釬料包括銅（熔點1083℃）、銀（熔點960℃）、金（熔點1064℃）等活性金屬及其間化合物和低熔點（800℃～900℃）金屬玻璃等，具體性能對比見表1。

非晶合金釬料具有廣泛的潤濕范圍（20°～90°）、低的熔化溫度（＜400℃）、高熱穩定性，是一種有效的釬料。鈦合金由于高活性常作為過渡層提高界面質量，釬料成分的均勻一致性直接影響連接的穩定可靠性，釬焊參數直接影響界面反應和殘余應力的程度。提高釬焊溫度（一般1000℃～1100℃）有利于原子間的傳質擴散，使界面結合更牢固，但高溫也會加劇殘余熱應力的產生。合理選擇釬焊保溫時間（5min～60min），既要保證界面充分反應，又要控制殘余應力的積累。采用真空或保護氣氛（如Ar）焊接，可以防止氧化，獲得清潔的界面。

3.2擴散焊

擴散焊是利用材料在一定溫度下發生原子間擴散，實現固相連接的一種焊接方法。當兩個清潔的金屬表面緊密接觸后，在一定的壓力及溫度作用下，金屬表面原子會發生擴散，兩金屬間會形成固溶體或化合物，實現金屬間的連接。擴散焊是目前實現陶瓷與金屬異種材料焊接的最主要方法之一，其主要工藝參數包括焊接溫度、保溫時間和焊接壓力。一般情況下，溫度越高、保溫時間越長，擴散速率就越大，焊接效果越好。但溫度過高會使材料產生過度燒結；保溫時間過長也會導致界面反應層過厚，降低接頭力學性能。因此，選擇合適的焊接溫度和保溫時間對獲得優良的擴散焊接頭至關重要[3]。

3.3自蔓延高溫合成焊接法

自蔓延高溫合成焊接法是一個新型的高效異種材料連接技術，也稱為自蔓延燃燒合成（SHS）焊接技術。該技術利用高溫條件下化學反應釋放的熱量，在無需外加能量的條件下，實現陶瓷與金屬的復雜物理化學過程焊接。

與傳統的熔化焊接工藝相比，SHS焊接具有熱輸入低、焊接變形小、冷卻速率快等特點，可以有效減少熱應力和熱影響區，從而減小殘余熱應力，并有利于獲得更優異的力學性能。同時，SHS焊接工藝簡單，無需復雜的設備和高昂的能源投入，工藝成本較低。此外，SHS焊接生成的金屬間化合物過渡層，可實現材料性能的良好過渡，減小陶瓷與金屬的物理化學性質突變，有效改善界面結合力。因此，SHS焊接技術被認為是連接陶瓷與金屬異種材料的有效方法之一。

目前，SHS焊接技術已經用于各類非氧化物陶瓷如碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等與金屬材料的連接。典型的SHS焊接體系包括Ni-Al粉末/SiC陶瓷、Ti-Si粉末/SiC陶瓷、Zr-Si粉末/Si3N4陶瓷等。通過調控SHS焊接體系的化學反應條件，可以合理設計界面反應層的成分和微觀結構，實現材料性能的優化設計。一些研究表明，SHS焊接技術可以獲得高達200MPa的銅/SiC陶瓷界面剪切強度，顯著提高了異種材料的連接力學性能[4]。SHS焊接技術目前已應用于一些高溫構件的組裝和修復，展現出良好的工程應用前景。

3.4熔化焊

熔化焊是利用高溫熱源使金屬熔化，陶瓷不熔化的條件下進行焊接的方法。根據不同的熱源，可分為電弧焊、激光焊、電子束焊等。電弧焊利用電弧的高溫實現金屬的局部熔化，可獲得高達200 MPa的剪切強度，但熱影響區較大。激光焊接可以通過精確聚焦實現小面積的高溫加熱，焊口質量好、熱影響區僅為0.5 mm，可用于微部件的高精度焊接。電子束焊利用高能電子的轟擊加熱達到20000℃以上，焊接深度可控，無需保護氣氛。這三種方法各有優勢，都可實現陶瓷與金屬的熔化焊接。熔化焊的關鍵是控制金屬側的熔化而陶瓷側不熔融。一方面，需選擇熔點低的金屬；另一方面，陶瓷材料具有極高的熔點，難以熔化。同時，陶瓷材料容易在高溫下發生裂解，需要嚴格控制熱源功率和焊接時間，通常小于10 s，避免陶瓷熱分解。熔化焊的主要問題是界面殘余熱應力大，因為金屬和陶瓷的熱物理性質差異較大，冷卻過程中會產生截然不同的熱收縮，導致界面產生拉應力。解決方法包括采用漸進加熱的層狀熱源進行焊接，減少熱應力；進行冷壓縮，通過冷壓縮應力提高界面結合強度；設置過渡層進行漸進連接。

熔化焊技術已經實現了多種陶瓷與金屬的連接，特別是氧化物陶瓷與鋼材的焊接應用廣泛。例如，利用電子束焊接實現了氧化鋁Al2O3與304不銹鋼的混合連接；采用電弧焊實現了96%氧化鋯穩定化氧化鋁與304不銹鋼的連接強度≥200 MPa。

4陶瓷與金屬界面殘余應力的緩解

4.1界面殘余應力的生成機理

陶瓷與金屬異種材料焊接時，由于兩種材料在化學組成、晶體結構、熱膨脹系數等方面存在明顯差異，在焊接加熱和冷卻過程中會產生較大的熱應力和塑性變形，這些應力在陶瓷/金屬界面處無法得到有效的應力釋放和再分配，因而在界面的一定范圍內殘留下來，形成界面殘余應力。殘余應力不僅取決于材料本身的屬性，也與焊接工藝參數有關。較大的熱應力、界面反應層的增厚以及金屬與陶瓷之間的結合力較弱，都會導致界面殘余應力增大。因此，控制焊接工藝，優化界面組織結構，是有效控制和減小殘余應力的關鍵。

4.2殘余應力的有害影響

界面殘余應力的存在會導致界面撕裂和裂紋擴展，削弱陶瓷/金屬焊接接頭的機械強度，降低構件的使用壽命。殘余應力還會導致界面脫膠、界面的再結晶以及金屬元素在陶瓷中的擴散，這些都會降低界面結合強度。同時，殘余應力的大小會影響材料強化相的析出，殘余應力過大會抑制強化相的沉淀，不利于獲得所需的力學性能。

4.3殘余應力的釋放方法

4.3.1熱處理法

適當的熱處理可以使材料內部的殘余應力得到部分釋放。熱處理方法包括回火和時效兩種，回火是在一定溫度下進行等溫保溫，然后冷卻到室溫，可以使材料組織恢復，內部殘余應力釋放；時效是使材料在較低的溫度進行保溫，維持足夠長的時間，使材料內部向穩定狀態演變[5]。但熱處理溫度過高會使界面反應層繼續增厚，加劇殘余應力而導致界面破壞。因此熱處理溫度的選擇對殘余應力的釋放和界面結合至關重要，一般選用不大于材料回火溫度的低溫進行熱處理，以防止界面反應層過度增長。

4.3.2表面處理法。

表面處理可以增加金屬與陶瓷的可塑性，促進界面反應生成過渡層，從而緩解殘余應力。常用的表面處理方法有：（1）氧化處理：在一定溫度下使陶瓷表面生成氧化膜，這種陶瓷表面活化的方法可以提高界面強度，有效減少殘余應力；（2）滲碳處理：利用碳原子侵入陶瓷母材表層，生成過渡層，可以提高界面結合強度；（3）鍍層法：在陶瓷表面鍍一層與填充料反應性好的金屬薄膜，能促進界面反應生成金屬間化合物，從而提高陶瓷與金屬的結合強度。

5結論

綜上所述，陶瓷與金屬異種材料焊接技術研究具有重要意義和廣泛應用前景。通過采用各種先進的焊接技術，可以實現陶瓷與金屬的良好焊接，發揮二者優勢，滿足工程需求。但界面殘余應力問題依然存在，今后應加強漸進性構建、數值模擬分析等殘余應力釋放技術的研究，以期獲得高性能的陶瓷與金屬異種焊接接頭。

參考文獻

[1]饒程杰，萬維財，王鵬等.陶瓷/金屬擴散焊研究現狀[J].材料熱處理學報，2023，44（04）：13-23.

[2]陳本樂，王星星，何鵬等.陶瓷/金屬連接界面殘余應力緩解策略研究[J].電焊機，2023，53（04）：14-24.

[3]王星星，吳港，何鵬等.陶瓷/金屬異質釬焊連接研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2022，51（07）：2689-2697.

[4]張瑜，徐榮正，國旭明等.陶瓷基復合材料與金屬異種材料焊接技術的研究現狀[J].熱加工工藝，2023，52（15）：1-5+12.

[5]王杰，萬維財，王宗元等.陶瓷/金屬焊接技術與殘余應力研究現狀[J].工具技術，2022，56（04）：3-11.