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1 ~' m. E4 \\7 {4 F* |2 F
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[wiki]电子[/wiki],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；) s5 S# J, z+ ~* i0 _
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。) V6 v. d! J; Y\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、[wiki]机械[/wiki]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]。8 g' y% S& _0 b& z& w' I$ N
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。3 C/ b1 w% [9 M' d7 ^$ s9 V5 T
(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[wiki]设备[/wiki]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]：! j! |0 @\
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；! O o$ [& M; G# ^) b ③ 可焊接较大截面接头；( B# r7 g\
④ 可考虑增加中间层, 对陶瓷材料无须表面金属化。. O) B4 D7 P) X# ]5 Y N, D
(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-Self Propagation High-temperature Synthesis)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]。 ?* k# ~& d' s7 ]2 g2 I, V& |+ E
四 陶瓷与金属焊接技术的应用# B' q H9 u) w( F% S
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, 使用银基或铜基钎料。当钎料中不含钛时, 焊前需对陶瓷预金属化, 再在陶瓷刀头与钢刀杆之间加一块铜片以减小应力, 最后利用钎料将陶瓷刀头、中间铜片(应力减缓层) 及钢刀杆焊在一起。在电子工业中, 广泛使用氧化铝与金属的焊接, 生产各种半导体器件。
此外, 在热机制造中陶瓷与金属的焊接也很普遍。一是内燃机阀, 该部件使用全金属件时, 由于阀杆的端面部分在高温下工作, 因而烧损很快。现采用金属- 陶瓷复合材料结构, 在阀杆端面的高温部分镶上Si3N4块, 用扩散焊使阀杆端面与Si3N4镶块连接起来, 其抗烧损力提高10～15倍, 大大延长了内燃机阀的使用寿命。二是燃油喷嘴, 其内锥面要承受高温燃油的冲刷,工作条件十分恶劣, 极易损坏, 从而使整个燃油嘴不能正常工作。在内锥面镶上一块SiC, 用扩散焊将SiC 与燃油喷嘴金属基体连接起来, 可使整个部件的寿命提高几十倍。三是将氮化硅陶瓷透平转子与钢轴用钎焊法连接起来。( P9 E h ~; j 五 结束语% Y/ L$ D% h% d5 e. m
综合上述各方法的特点发现,钎焊、固相压力扩散焊、陶瓷部分瞬间液相连接、自蔓延高温合成焊接等方法焊接陶瓷-金属显示出较高的适应性和较好的应用前景。活性金属钎焊和固相扩散焊具有技术较成熟,连接强度高,重复性好等优点,广泛应用于连接在中、低温领域服役的陶瓷-金属复合构件。集钎焊和固相扩散连接优点于一体的部分瞬间液相连接方法,在陶瓷-金属接头高温应用领域具有广阔的应用前景,是极有发展前途的连接方法。\