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陶瓷金屬封接

文字:[大][中][小] 2012-9-19  瀏覽次數:4687
近 20 年來, 世界各國對工程陶瓷的研究與生產應用進步很快。陶瓷與合金及工程塑料相比, 在耐磨損、抗高溫氧化、耐腐蝕及介電性等方面具有優異的特性。但作為結構材料, 陶瓷存在著塑性不好、難加工、強度分散、抗疲勞和抗熱震性能差、不易焊接封裝等缺點, 單獨使用不太理想。為此, 各國科學家正在開發各種金屬/陶瓷復合材料, 以期望獲得兼具金屬及陶瓷優越性的復合材料。
 目前, 金屬基或陶瓷基復合材料的生產普遍存在著成本高、能耗大、規模生產困難等問題。對于形狀復雜的構件和大型構件(如航空發動機燃燒室、渦輪葉片等)來說, 采用單一的金屬/ 陶瓷復合材料來制造成本會很高。但如果把陶瓷和金屬連接后制成復合構件來使用, 則可降低成本與能耗, 而且易于工程化。對于像航空發動機這樣的可靠性要求很高的產品的制造, 選用合適的陶瓷/金屬連接工藝, 能增加所選用陶瓷材料的可靠性。
 1 陶瓷/金屬的連接方法
 陶瓷和金屬是兩類性質不同的材料, 相互接合時在界面上存在著化學及物理性能的差異。二者的連接方法不同, 所形成的新界面的特性也不同。機械連接和粘接連接工藝的使用范圍很有限, 這兩種工藝聯合使用雖可以進一步增加接頭強度并獲得氣密性接頭, 但使用條件也較有限。一旦需考慮復雜受載條件、較高使用溫度及可靠性因素時, 就只能選擇陶瓷/ 金屬的焊接連接工藝。焊接連接的主要方法有:
 (1) 燒釉封接——在空氣中于陶瓷上燒結硅酸鹽玻璃類物質, 然后再在還原氣氛下與金屬焊接, 但接頭的釉層龜裂及內應力嚴重。此方法可能會被逐漸淘汰。
 (2) 燒結金屬粉末法——在陶瓷表層涂覆金屬粉末并燒結形成涂層, 然后用焊料對陶瓷與金屬焊接, 多用于電子元件陶瓷金屬封接與連接。
 (3) 熔焊——主要是激光熔焊和電子束焊, 能夠制造高溫下穩定的連接接頭, 但難于形成面2面連接, 設備投資昂貴。
 (4) 摩擦焊——使兩焊件相對旋轉并加壓摩擦, 待金屬表面加熱至塑性狀態后停轉, 施加較大的頂鍛力使焊件連接。接頭處既有機械結合又有化學鍵結合。但該法僅限于圓棒、管件等的焊接。
 (5) 固相壓力擴散焊——在較高溫度和一定外力作用下, 使陶瓷-金屬表面緊密接觸, 金屬母材發生一定的塑性變形, 便于原子的擴散, 促使兩種材料結合在一起。
 (6)陶瓷/金屬釬焊——利用陶瓷/金屬母材之間的釬料在高溫下熔化, 其中的活性組元與陶瓷發生化學反應, 形成穩定的反應梯度層, 將兩種材料結合在一起。
 (7) 自蔓延高溫合成(SHSSelf-propagating High-temperature Synthesis)焊接——在陶瓷/金屬界面間預置高能焊料, 點燃焊料產生短時高溫燃燒波, 使焊料和陶瓷/金屬界面迅速融合, 并快冷形成接頭。這種方法效率高, 能耗低, 在制造金屬基、陶瓷基復合材料方面具有重要意義。綜合考慮上述各種方法形成焊接接頭的性能、工藝特點、機理及工藝成本等因素, 我們認為固相壓力擴散焊、釬焊和SHS 焊接已具有一定預研基礎和良好的應用前景, 應該重點研究與開發。
 陶瓷/金屬的連接理論及相關工藝研究, 對發展陶瓷/金屬復合構件, 尤其是高溫結構復合材料是非常重要的, 對下一世紀能源及動力工業具有潛在的經濟及社會效益。目前的研究幾乎都是圍繞著陶瓷/金屬界面接合機理、解決界面應力、連接工藝等來進行的。綜合考慮連接理論、工藝等方面, 我們認為, 活性金屬釬焊、 SHS 焊接技術最有希望成為陶瓷/ 金屬連接工藝中的重點開發研究項目。
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