陶瓷组装及连接技术-陶瓷与金属的活性钎焊连接-氮化物连接

3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
陶瓷与金属连接主要存在以下几个问题
（1）钎料很难对陶瓷和金属双方都润湿。 （2）界面容易形成多种脆性化合物。 （3）界面存在很大的残余应力。 （4）界面化合物很难进行定量分析。 （5）缺少数值模拟的基本数据。 （6）没有可靠的无损检测方法及评价标准。
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
成分（质量分数， %）
Ag72Cu28 Ag50Cu50 Au80Cu20 Au63Ag27In10 Ag68.4Cu26.6Ti5 Ag58Cu32Pd10 Ag68.4Cu26.6Ti5 Ag85Ti15 Ag85Zr15 Cu75Ti25 Cu69Ti21Ni10 Ti71.5Ni28.5 Ti60Ni30Cu10 Ti49Cu49Be2 Ti54Cr25V21 Ti45Zr34Ni13Cu8 Zr75Nb19Be6 Zr48Ti48Be4 Zr49V28Ti6
1000 s
1500 s
液滴在陶瓷表面铺展过程中的典型液滴截面(1153K)
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-合金元素对润湿的影响
Zn元素的影响
AgCuZn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面的动态润湿角和动态铺展直径
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
AgCuZn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面不同铺展阶段的典型形貌
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
钎料的润湿 固-液-气三相平衡方程式，也称Young氏方程：
cos sg sl lg
式中：cosθ为“润湿系数”，θ为润湿角
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
钎料选择
➢ 高温结构件： 需要钎料的高温性能好；
陶瓷组装及连接课程
3.陶瓷与金属的活性钎焊连接
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本章主要内容：
3.1陶瓷与金属连接的基础问题 3.2 氮化物陶瓷及其与金属的连接 3.3 碳化物陶瓷及其与金属的连接 3.4 氧化物陶瓷及其与金属的连接 3.5 硼化物陶瓷及其与金属的连接 3.6 碳材料及其与金属的连接 3.7 玻璃及其与金属的连接
(2)填加粉末中间层，可采用粘结剂混合成膏状，也可低 温压成片状；
(3)表面镀膜，如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、 喷镀、离子注入等。
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-母材表面处理状态及对润湿的影响
连接面加工状态的影响
钎焊：表面要求不高，有时还需要在一定程度上增加 陶瓷表面粗糙度 扩散焊：待焊表面必须光滑平整，金属母材表面可加 工到Ra 0.63~1.2μm。
纯金属 陶瓷 合金
钢 奥氏体Fra Baidu bibliotek锈钢
铁素体不锈钢
铝合金
热膨胀系数/K-1
各种材料弹性模量和热膨胀系数的关系
弹性模量/GPa
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.4陶瓷与金属连接接头的热应力-热应力的影响因素
1）材料因素 材料因素主要包括热膨胀系数、弹性模量、泊松比、界 面特性、被连接材料的孔隙率、材料的屈服强度以及加工硬化系数等。 其中，异种材料间热形变差（α1T1- α2T2）、弹性模量比（E1/E2）、 泊松比的比值（ν 1/ν2）是影响热应力的主要因素。 2）温度分布的影响 不同的加热方式，加热温度，加热速度及冷却速 度等工艺参数，都会影响热应力的分布。 3）接头形状因素 接头形状因素主要包括板厚、板宽、长度、连接材 料的层数、层排列顺序、接合面形状和接合面的粗糙度。其中，两种 材料的厚度比、接头的长度与厚度之比是影响热应力的主要因素之一。
(1)容易塑性变形，熔点比母材低； (2)物理化学性能与母材差异比被连接材料之间的差异小； (3)不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不 希望出现的共晶相；
(4)不引起接头的电化学腐蚀。 (5)可选用单一的金属中间层、多层金属中间层和梯度金 属中间层
中间层的添加方法主要有：
(1)填加薄金属箔片，对难以制成箔片的脆性材料可加工 成非晶态箔片；
➢ 密封结构件： 钎料中不宜大量含有Zn、 Mg、Li及Bi等高蒸气压 元素，以免引起构件泄 露。
常用活性钎料的成分及熔点
钎料
Ag-Cu
Au-Cu Au-Ag-Cu Ag-Cu-In Ag-Cu-Pd Ag-Cu-Ti Ag-Ti Ag-Zr Cu-Ti Cu-Ti -Ni Ti-Ni Ti-Ni-Cu Ti-Cu-Be Ti-Cr-V Ti-Zr-Ni-Cu Zr-Nb-Be Zr-Ti-Be Zr-V-Ti
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-母材表面处理状态及对润湿的影响
表面改性的影响
AgCuTi钎料在SiO2f/SiO2复合材料表面润湿角轮廓随时间的变化(1123K) (a) SiO2f/SiO2表面未生长石墨烯 (b) SiO2f/SiO2表面生长石墨烯
SiO2f/SiO2表面生长碳纳米管对AgCuTi钎料润湿的影响
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.2 陶瓷与金属连接接头的界面反应
在陶瓷与金属的界面反应中主要取决于陶瓷与金属（包括中间层）的种类。
陶瓷与金属扩散连接过程中，各相之间的化学反应在自由能为负值时能够 进行，可以用吉布斯-泽尔曼方程式进行计算
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.3 陶瓷与金属连接接头的热应力-热应力的产生
中间层选择
➢ 活性金属中间层： V、Ti、Nb、Zr、Hf、 Ni-Cr及Cu-Ti等，能与 陶瓷相互作用，形成反 应产物，并通过生成的 反应产物使陶瓷与被连 接金属牢固连接在一起
➢ 粘附性金属中间层：
Fe、Ni、Co和Fe-Ni等， 与某些陶瓷不起反应， 但可与陶瓷组元相互扩 散形成扩散层
中间层的选择主要注意以下几点：
熔点或钎焊温度/℃
779 850 889 850 710 850 850~880 1000 1050 900~1000 1000~1100 980~1000 900~980 1000~1100 1550~1650 840~900 1050 1050 1250
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-钎料及中间层选择
(a) CNTs生长前
(b) CNTs生长后
保温时间及表面状态对润湿角的影响(1123K)
3.1 陶瓷与金属连接的基础问题
3.1.1 陶瓷与金属连接界面的润湿-合金元素对润湿的影响
Ti元素的影响
接触角和铺展直径随保温时间的变化曲线(1153K)
初始状态
65 s
100 s
500 s
520 s
700 s