隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對焊接質(zhì)量及結(jié)構(gòu)性能的要求越來越高，各種先進(jìn)及特殊材料的焊接近年來不斷出現(xiàn)。先進(jìn)材料極大地推動了科技進(jìn)步和社會發(fā)展，在電子、能源、車輛制造、航空航天、核工業(yè)等部門得到了應(yīng)用。先進(jìn)材料焊接涉及面廣，其主要特點(diǎn)是高性能、高硬度、焊接難度大，引起人們的廣泛關(guān)注。以先進(jìn)陶瓷為例，闡述了先進(jìn)材料特殊焊接的現(xiàn)狀和研究進(jìn)展，對推動先進(jìn)材料的焊接研究和發(fā)展具有一定意義。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些呢

先進(jìn)陶瓷材料

先進(jìn)的陶瓷材料又稱高科技陶瓷、新型陶瓷或高性能陶瓷，是以精制的高純度、超細(xì)人工合成的無機(jī)化合物為原料，采用精密控制的制造技術(shù)得到的具有優(yōu)異性能的新一代陶瓷。先進(jìn)陶瓷是隨著現(xiàn)代電器、電子、航空、核能、冶金、機(jī)械、化學(xué)等工業(yè)以及計(jì)算機(jī)、空間技術(shù)、新能源開發(fā)等技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的，其原料豐富，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是，陶瓷的塑性和韌性差，加工困難，難以成為大型和復(fù)雜形狀的部件。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了發(fā)揮陶瓷和金屬各自的性能優(yōu)勢，同時能夠降低生產(chǎn)成本，大多采用連接技術(shù)制作陶瓷-金屬復(fù)合零件，陶瓷和金屬焊接具有良好的應(yīng)用前景[2]。例如，用于汽車發(fā)動機(jī)增壓器轉(zhuǎn)子（能夠降低廢氣排放量）、陶瓷/鋼搖桿、陶瓷/金屬銷、火花塞、高壓絕緣子、電子部件（真空管殼體、整流器殼體等）等。開發(fā)高效陶瓷發(fā)動機(jī)已成為世界各國高科技競爭的熱點(diǎn)之一。例如，使用陶瓷發(fā)動機(jī)可將工作溫度從1000℃提高到1300℃，熱效率從30%提高到50%，質(zhì)量降低20%，節(jié)省燃料30%~50%。美國福特汽車公司的專家表示，如果美國整體車輛采用陶瓷發(fā)動機(jī)，每年至少可節(jié)約5億桶石油。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些呢

在日本，將結(jié)構(gòu)陶瓷視為繼微電子學(xué)之后帶來巨大利益的新領(lǐng)域，開發(fā)的213kW陶瓷發(fā)動機(jī)已經(jīng)形成規(guī)模生產(chǎn)。德國陶瓷內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)也位居世界前列，德國奔馳汽車公司開發(fā)的“2000年轎車”由陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動。在歐洲的“尤里卡計(jì)劃”中，法國、德國和瑞典三個國家正在開發(fā)147kW的陶瓷渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，其工作溫度比普通發(fā)動機(jī)高600℃以上。

1、陶瓷與金屬連接中的問題點(diǎn)

由于陶瓷材料與金屬原子結(jié)構(gòu)之間存在著本質(zhì)的差異，因此在與金屬的連接和與陶瓷本身的連接上存在很多問題。陶瓷與金屬材料焊接中的主要問題點(diǎn)在于

（1）焊接應(yīng)力和裂紋。

陶瓷的線膨脹系數(shù)小，與金屬的線膨脹系數(shù)有較大的差（參照圖1），例如SiC和Si3N4的線膨脹系數(shù)分別為4×10-6/K和3×相對于10-6/K，鋁和鐵線的膨脹系數(shù)分別達(dá)到23.6×10-6/K和11.7×10-6/K。此外，陶瓷的彈性模量也較高，在焊接加熱和冷卻過程中，陶瓷和金屬產(chǎn)生較大的膨脹和收縮，在接頭附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力分布極不均勻，使接合界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而在接合部區(qū)域產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致接合陶瓷接合部的破壞。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些呢

控制陶瓷和金屬焊接接頭應(yīng)力集中的方法，在焊接時盡量減少焊接部位及其附近的溫度梯度，控制加熱和冷卻速度，降低冷卻速度有利于應(yīng)力松弛，減少應(yīng)力。第二，使用金屬中間層，在陶瓷和金屬之間添加塑性材料或線膨脹系數(shù)接近陶瓷的金屬。擴(kuò)散焊接時采用中間層可降低擴(kuò)散溫度、降低壓力、減少保溫時間、促進(jìn)界面擴(kuò)散、去除雜質(zhì)元素，同時降低接頭區(qū)殘余應(yīng)力。例如，在陶瓷和Fe-Ni-Co合金間，厚度為20μm的Cu箔作為過渡層，可以得到加熱溫度1050℃、保溫時間10min、壓力15MPa、拉伸強(qiáng)度72MPa的擴(kuò)散焊接頭。

（2）陶瓷和金屬不易潤濕。

陶瓷材料潤濕性差或不完全潤濕。因此，如果使用釬焊或擴(kuò)散焊接的方法將陶瓷與金屬材料連接，則熔融金屬在陶瓷表面難以潤濕，難以選擇適當(dāng)?shù)拟F料與基體結(jié)合。為了使陶瓷和金屬達(dá)到釬焊連接的目的，需要使釬料在陶瓷表面潤濕或提高對陶瓷的潤濕性。

在陶瓷接合中，在陶瓷表面上進(jìn)行金屬化處理（通過物理或化學(xué)方法涂敷金屬層）后，可以進(jìn)行陶瓷/陶瓷或陶瓷/金屬的接合。該方法實(shí)際上是將陶瓷/陶瓷或陶瓷/金屬的連接轉(zhuǎn)換為金屬間的連接，但該方法的結(jié)合強(qiáng)度不高，主要用于密封的焊接。即使使用使活性金屬Ti在表面反應(yīng)而形成Ti的化合物，也能夠得到良好的潤濕性。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些呢

由于陶瓷/金屬之間的結(jié)合通過過渡層（擴(kuò)散層或反應(yīng)層）結(jié)合，因此陶瓷/過渡層/金屬之間的界面反應(yīng)對接頭的成形和性能有很大影響。界面反應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)是影響陶瓷/金屬結(jié)合的關(guān)鍵。

在陶瓷和金屬擴(kuò)散焊接的情況下，陶瓷/金屬界面反應(yīng)形成化合物，形成的物相結(jié)構(gòu)取決于陶瓷和金屬（包括中間層）的種類，也與焊接條件（例如加熱溫度、表面狀態(tài)、中間合金及厚度等）有關(guān)。例如，SiC陶瓷與金屬的界面反應(yīng)通常生成該金屬的碳化物、硅化物或三元化合物，有時還生成四元、多元化合物或非晶相。Al2O3陶瓷與金屬的界面反應(yīng)通常生成三元化合物，例如金屬氧化物、鋁化物或Al2O3與Ti的反應(yīng)，從而生成TiO和TiAlx。表1顯示了Al 2 O 3陶瓷和金屬接頭中可能出現(xiàn)的界面反應(yīng)產(chǎn)物。

（3）容易生成脆性化合物，降低界面接合強(qiáng)度。

由于陶瓷與金屬的物理化學(xué)性能差異較大，在連接時的界面除了結(jié)合型變換以外，還容易發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，在結(jié)合界面生成各種碳化物、氮化物、硅化物、氧化物及多價化合物等。這些化合物硬度高、脆性大，降低陶瓷/金屬界面的接合強(qiáng)度，也是引起裂紋產(chǎn)生和接合部脆性破壞的主要原因。確定界面脆性化合物相時，由于某些輕元素（C、N、B等）的定量分析誤差較大，需要制備多種樣品進(jìn)行標(biāo)定。多價化合物的相結(jié)構(gòu)測定通常用X射線衍射方法和標(biāo)準(zhǔn)衍射光譜進(jìn)行比較，但也有不具有標(biāo)準(zhǔn)光譜的化合物，物相測定存在一定的難度。真空擴(kuò)散焊接加工方法有哪些呢

陶瓷與金屬接頭在界面間存在原子結(jié)構(gòu)能級差異，兩種材料間的界面反應(yīng)對接頭的形成、微觀組織和性能有很大影響。陶瓷材料主要含有離子鍵或共價鍵，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，不易被金屬鍵的熔融金屬潤濕，因此用通常的熔融法難以產(chǎn)生金屬和陶瓷的熔融。使用金屬釬料釬焊陶瓷/陶瓷或陶瓷/金屬材料時，對陶瓷表面先進(jìn)行金屬化處理，對釬焊的陶瓷進(jìn)行表面改性，或者在釬料中添加活性元素釬料與陶瓷之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使陶瓷表面分解形成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附機(jī)制，形成結(jié)合牢固的陶瓷/金屬界面，保證其界面接合強(qiáng)度。在陶瓷和金屬之間插入中間緩沖層也可以降低應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度。

2、陶瓷與金屬的連接方法

陶瓷與金屬的連接方法包括機(jī)械連接、粘合和焊接。作為一般的焊接方法，如表2所示，主要有釬焊連接、擴(kuò)散連接、電子束焊接、激光焊接等。

（1）陶瓷與金屬釬焊連接。

分為間接釬焊和直接釬焊。間接釬焊首先在陶瓷表面金屬化，用通常的釬料釬焊。陶瓷表面金屬化的最常用方法是Mo-Mn法，另外還有物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、熱熔射法、離子注入法等。間接釬焊技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定的限制。

直接釬焊法是在釬料中添加過渡金屬Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等活性元素，通過化學(xué)反應(yīng)分解陶瓷表面，形成反應(yīng)層。反應(yīng)層主要由金屬和陶瓷的化合物構(gòu)成，這些產(chǎn)物大多表現(xiàn)出與金屬相同的結(jié)構(gòu)，因此可以被熔融的金屬潤濕。直接釬焊陶瓷的關(guān)鍵是使用活性釬料，在釬料能夠潤濕陶瓷的前提下，還應(yīng)考慮高溫釬焊時陶瓷與金屬線膨脹系數(shù)的差異是否會引起裂紋。

（2）固體擴(kuò)散鍵。

固體擴(kuò)散連接主要采用真空擴(kuò)散連接，也有采用熱等靜壓法擴(kuò)散連接的。這是陶瓷/金屬鍵合的常用方法，是指在一定的溫度和壓力下，被鍵合面局部塑性變形，或通過由被鍵合面生成的過渡液相擴(kuò)大被鍵合面的物理接觸，或通過界面原子間的相互擴(kuò)散形成整體可靠的鍵合的過程。其特點(diǎn)是接頭質(zhì)量穩(wěn)定，連接強(qiáng)度高，接頭高溫性能和耐蝕性好。

固相擴(kuò)散連接中界面的結(jié)合通過塑性變形、擴(kuò)散和蠕變機(jī)制實(shí)現(xiàn)，其連接溫度較高，陶瓷/金屬固相擴(kuò)散連接溫度通常為金屬熔點(diǎn)的70%~90%。由于陶瓷與金屬的線膨脹系數(shù)和彈性系數(shù)不一致，容易在界面附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力，難以實(shí)現(xiàn)直接固相擴(kuò)散連接。為了緩和陶瓷與金屬接頭的殘余應(yīng)力，控制界面反應(yīng)，抑制或改變界面反應(yīng)產(chǎn)物，提高接頭性能，往往采用加了中間層的擴(kuò)散焊接。

（3）陶瓷與金屬的熔融焊接。

由于陶瓷具有高熔點(diǎn)，在高溫下具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，因此在一般的熔融焊接中陶瓷/金屬的連接困難。陶瓷與金屬的熔融焊接方法主要包括電子束焊接、激光焊接等。由于陶瓷材料非常脆、塑性、韌性低，采用熔融焊接方法可以形成速度快、效率高、高溫下性能穩(wěn)定的連接接頭，但為了降低焊接應(yīng)力、防止裂紋的產(chǎn)生采用輔助熱源預(yù)熱和緩冷工藝參數(shù)控制困難，設(shè)備投資昂貴，其應(yīng)用受到很大限制。近年來，陶瓷與金屬的電子束焊接和激光焊接擴(kuò)大了其應(yīng)用。