铝基复合材料钎焊与扩散焊
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陶瓷增强相含有离子键或共价键，表现出非常稳定 的电子配位，很难被含金属键的金属钎料润湿。
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1 增强相与金属合金的润湿机理
为了改善陶瓷表面的润湿性，常采用如下两种方法： （1）陶瓷表面的金属化处理，蒸镀、喷溅、离子注入等 （2）活性金属化法，在钎料中加入活性元素，使陶瓷表 面分解形成新相，产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷 与金属结合界面。常用的活性元素是过渡族金属，如Ti 、Zr、Hf、Nb和Ta等，具有较强的活性。 1.2 活性金属/陶瓷润湿机理 国内外对金属/陶瓷体系的润湿性进行了大量研究， 根据固/液界面结合的情况，可以将润湿过程分为反应性 润湿和非反应性润湿[20]。铝基复合材料焊接时，通过控 制固/液界面的压力、温度以及加入活性元素，对界面反 应有很大的影响，是改善润湿性的有效方法。
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2.2 扩散焊工艺
（1）无夹层扩散焊 牛济泰等研究了Al2O3p/6061Al的无夹层扩散焊，认为焊 接温度起着至关重要的作用。当焊接温度超过铝基复合 材料的固相线一定温度时，焊缝消失，接头强度提高。 当焊接温度介于某温度区间时，接头强度最大，而且稳 定性提高，在焊缝的界面处观察不到氧化膜的存在。采 用此技术成功地焊接了Al2O3p/6061Al铝基复合材料，接 头强度达到母材的80%以上[26]。
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1 增强相与金属合金的润湿机理
1.1铝基复合材料焊接的难点 （2）润湿性 润湿性是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的 现象，是铝基复合材料钎焊的关键技术指标。由于陶瓷 增强相与金属之间润湿性不好，结合为弱连接。铝基复 合材料中增强相越多，焊接性能越差[19]。
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2.1 钎焊
（1）钎焊时的表面处理技术 表面处理可以使陶瓷表面金属化，再用进行钎焊 ，可以提高复合材料焊接性能。关键是陶瓷表面 的预金属化，陶瓷的预金属化方法即表面金属化 方法有物理气相沉积的方法（PVD）、化学气相 沉积工艺（CVD）、热喷涂法、化学沉积法、超 声波法和等离子注入法等，但工艺较复杂[23]。 使其应用受到限制。
图1 SiCp/AlCu4MgAg界面Al4C3金属间化合物TEM形貌
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（ 3）wenku.baidu.com
由于压力的作用，SiC/Al基体之间发生反应，形成 了半共格界面，因此压力对于对于陶瓷/金属基体间的 反应有重要影响。文献[21]研究了无压浸渗制备SiC颗粒 增强铝基复合材料界面显微组织，基体合金是Al-SiMg-Zn，在Ni气保护下，SiC颗粒在1100℃预氧化3h，在 800-900℃进行浸渗处理，透射电子显微分析表明，在 SiC颗粒表面有300nm的MgAl2O4尖晶石颗粒形成，两相 之间有如下位相关系： 0001 SiC //111MgAl2O4
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2.1 钎焊
（2）活性元素的作用 在钎料合金中加入活性元素如：金属Ti、Zr、Hf 、Nb、Cr、Mg、V等，通过化学作用使陶瓷表面 产生分解，形成反应层。反应层由金属与陶瓷的 化合物构成，这些产物可以表现出与金属相同的 结构，因此可以被熔化的金属润湿[23]。这种钎 焊方法工艺简单，但是由于钎料中含有活性元素 ，所以钎焊时，活性元素的保护是关键技术。活 性钎焊一般都在真空或纯度很高的惰性保护气体 中进行，钎焊温度下真空度一般应保证高于102Pa。
超声波 振动方向 超声头 铝基复合材料 加热装置
固定压力 铝基复合材料 Zn-Al合金
图3 超声波振动钎焊工艺示意图
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2.1 钎焊
（4）加压真空钎焊 牛济泰等研究了含55%体积分数SiCp颗粒增强铝基复合材料的真空钎 焊[24]，采用专用夹具（如图4所示）和在钎料中添加Mg、Ti、Ni等 元素提高钎焊性能。在560℃钎焊表明压力和钎料中的Mg元素对改善 润湿性和提高结合强度有明显作用，钎焊接头结合良好如图5所示， 由于压力的作用挤出了少量钎料，使得钎缝变窄，对提高接头性能 有力，剪切强度达到102MPa。
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1 增强相与金属合金的润湿机理
1.1铝基复合材料焊接的难点 金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的焊 接，还要考虑金属与增强相的结合。因此，关键是增强 相与基体、增强相之间的结合。
（1）界面反应 通过冶金和工艺方面的措施解决： 1)冶金措施 加入活性比基体金属更强的元素或能阻止界面反应的 元素。例如，加入Ti可以取代铝与碳化硅的反应。提高基体中Si的 含量可抑制AI与SiC的反应。 2）改善焊接工艺 通过控制加热温度和焊接时间来避免或限制界面反应的发生。如 钎焊时，由于温度较低，基体不熔化，加上钎料金属的阻止作用， 不易引起界面反应。
其难点是： （1）界面反应 复合材料的金属基体和增强相之间，在较大的温 度范围内是热力学不稳定的，加热到一定温度界 面会发生化学反应。 （2）界面润湿性差
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1 增强相与金属合金的润湿机理
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1.引言
由于铝基复合材料的陶瓷增强相的物性与基体差异 很大，其焊接性不好，难以形成可靠的接头，限制了该 种材料的推广应用[7-10]。近30年来，人们对铝基复合材 料的焊接方法进行了大量研究，涉及的焊接方法有熔化 焊、摩擦焊、钎焊、瞬时液相扩散连接等方法[11-16]。近 年来一些新的焊接技术如电子束焊、激光焊和搅拌摩擦 焊也被用于铝基复合材料的焊接。其中钎焊及扩散焊不 涉及基体金属的熔化，焊接应力小，是目前应用前景十 分广阔的连接方法[16-18]，因此深入研究铝基复合材料的 钎焊及扩散焊界面形成机理显得格外重要。
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2.1 钎焊
（3）超声波辅助钎焊方法 铝基复合材料在普通钎焊工艺条件下，其接头强度通常都不高。在钎焊工 艺中引入超声波是目前值得研究的新工艺。文献[18]研究了高体积分数铝基 复合材料的超声波钎焊，工艺示意图如图3所示，这种方法可以在大气环境 下不使用钎剂去除铝合金表面的氧化膜，促进钎料对陶瓷的润湿。润湿性 随着超声振动时间的延长而提高，不仅可以润湿铝基体，钎料也能逐渐润 湿表面SiC相颗粒，接头的剪切强度达到155.6MPa。
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文献[22]研究了A1-Si/SiC系统界面润湿性，在真空条件下，Al对SiC进行 润湿的温度高于900℃。A1-Si/SiC在1100℃时润湿角为25°。陈建等认为[20] 在热力学非平衡条件下，金属熔体M中的活性元素(Re)和增强相(MeXξ )中 的非金属元素(X=O,N或C等)按下式反应：
2110 / / 011 MgAl2O4 SiC
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图2 SiCp/Al-Si-Mg-Zn无压浸渗SiC表面MgAl2O4形貌
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（4） 式中：v、ξ 分别表示反应产物和增强相陶瓷中的计量 数。式（4）的吉布斯能变化可用下式表示：
Re
v
MeX Re X
v
Me
v G bulk G 0 Re X v G 0 M e X
v
RT ln aMe RT ln aRe
G 0 M e X
式中：
、 G0 Re X v
分别为反应产物和增强相陶瓷的标准形成自由能；
aMe 和 aRe 分别为Me和Re在液态金属M中的活度。
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2.铝基复合材料钎焊及扩散焊工艺方法
陶瓷材料主要化学键与金属不同，含有离子键或 共价键，表现出非常稳定的电子配位。钎焊时陶 瓷表面很难被金属钎料润湿[19]。钎焊时钎剂和 真空条件对陶瓷/金属润湿性没有直接影响，要 实现铝基复合材料的有效连接，工艺方法十分重 要。
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文献[5]研究了挤压铸造60%SiCp高体积分数铝基复 合材料的组织性能，在温度750℃，压力130MPa条件下 制备铝基复合材料，通过电子透射显微镜分析，在 SiCp/Al合金基体界面形成了细条状的Al4C3金属间化 合物，界面发生了如下化学反应： 3SiC(s)+ 4Al(l)= Al4C3(s)+3Si(l) （1）
F 石墨 F
不锈钢
55%Vol.SiCp/A356 钎料
F
F
图4 加压钎焊夹具示意图
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图5 55%体积分数SiCp铝基复合 材料钎焊接头SEM显微组织
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2.2 扩散焊工艺
目前固相扩散连接也是连接复合材料的常用方法之 一。与钎焊工艺相比，固相扩散连接形成的接头不存在 低熔点钎料金属或合金，接头质量稳定，可以制备出耐 高温的接头。扩散连接分为无中间层和有中间层两大类 。无中间层的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，温度较高，压力大。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 胀系数和弹性模量差异大，易在界面附近产生高的残余 应力，一般很难实现陶瓷与金属的直接扩散连接。而在 连结界面插入适当的中间层，不仅能降低连接温度和压 力，还能显著降低残余应力，提高接头强度。扩散连接 要求接触面无氧化层及其它污染物，接触面越大越好[25] 。
2013年金属材料报告论坛
陶瓷增强铝基复合材料的钎焊及扩散焊 河南理工大学材料科学与工程学院
河南焦作 2013-04-26
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1.引言
金属基复合材料由于比强度高、比刚度高和 耐磨性好等优点，成为应用前景很好的新材料。 其中铝基复合材料以其制备容易、成本低、性能 和功能性强等优点引人注目，在航天、航空结构 件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应 用前景[1-5]。颗粒增强铝基复合材料已成功用于 飞机机身的盖板、转向架和车辆零部件的批量生 产，在电子器件封装领域也有广阔的应用前景[57]。
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物质的传输方式
气体 对流+扩散 固体 扩散 液体 对流+扩散
离 子 键
金属
陶瓷 扩散机制不同
高分子
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为了改善陶瓷表面的润湿性，常采用如下两种方法： （1）陶瓷表面的金属化处理，蒸镀、喷溅、离子注入等 （2）活性金属化法，在钎料中加入活性元素，使陶瓷表 面分解形成新相，产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷 与金属结合界面。常用的活性元素是过渡族金属，如Ti 、Zr、Hf、Nb和Ta等，具有较强的活性。 1.2 活性金属/陶瓷润湿机理 国内外对金属/陶瓷体系的润湿性进行了大量研究， 根据固/液界面结合的情况，可以将润湿过程分为反应性 润湿和非反应性润湿[20]。铝基复合材料焊接时，通过控 制固/液界面的压力、温度以及加入活性元素，对界面反 应有很大的影响，是改善润湿性的有效方法。
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2.2 扩散焊工艺
（1）无夹层扩散焊 牛济泰等研究了Al2O3p/6061Al的无夹层扩散焊，认为焊 接温度起着至关重要的作用。当焊接温度超过铝基复合 材料的固相线一定温度时，焊缝消失，接头强度提高。 当焊接温度介于某温度区间时，接头强度最大，而且稳 定性提高，在焊缝的界面处观察不到氧化膜的存在。采 用此技术成功地焊接了Al2O3p/6061Al铝基复合材料，接 头强度达到母材的80%以上[26]。
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1 增强相与金属合金的润湿机理
1.1铝基复合材料焊接的难点 （2）润湿性 润湿性是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的 现象，是铝基复合材料钎焊的关键技术指标。由于陶瓷 增强相与金属之间润湿性不好，结合为弱连接。铝基复 合材料中增强相越多，焊接性能越差[19]。
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2.1 钎焊
（1）钎焊时的表面处理技术 表面处理可以使陶瓷表面金属化，再用进行钎焊 ，可以提高复合材料焊接性能。关键是陶瓷表面 的预金属化，陶瓷的预金属化方法即表面金属化 方法有物理气相沉积的方法（PVD）、化学气相 沉积工艺（CVD）、热喷涂法、化学沉积法、超 声波法和等离子注入法等，但工艺较复杂[23]。 使其应用受到限制。
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由于压力的作用，SiC/Al基体之间发生反应，形成 了半共格界面，因此压力对于对于陶瓷/金属基体间的 反应有重要影响。文献[21]研究了无压浸渗制备SiC颗粒 增强铝基复合材料界面显微组织，基体合金是Al-SiMg-Zn，在Ni气保护下，SiC颗粒在1100℃预氧化3h，在 800-900℃进行浸渗处理，透射电子显微分析表明，在 SiC颗粒表面有300nm的MgAl2O4尖晶石颗粒形成，两相 之间有如下位相关系： 0001 SiC //111MgAl2O4
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（2）活性元素的作用 在钎料合金中加入活性元素如：金属Ti、Zr、Hf 、Nb、Cr、Mg、V等，通过化学作用使陶瓷表面 产生分解，形成反应层。反应层由金属与陶瓷的 化合物构成，这些产物可以表现出与金属相同的 结构，因此可以被熔化的金属润湿[23]。这种钎 焊方法工艺简单，但是由于钎料中含有活性元素 ，所以钎焊时，活性元素的保护是关键技术。活 性钎焊一般都在真空或纯度很高的惰性保护气体 中进行，钎焊温度下真空度一般应保证高于102Pa。
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固定压力 铝基复合材料 Zn-Al合金
图3 超声波振动钎焊工艺示意图
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（4）加压真空钎焊 牛济泰等研究了含55%体积分数SiCp颗粒增强铝基复合材料的真空钎 焊[24]，采用专用夹具（如图4所示）和在钎料中添加Mg、Ti、Ni等 元素提高钎焊性能。在560℃钎焊表明压力和钎料中的Mg元素对改善 润湿性和提高结合强度有明显作用，钎焊接头结合良好如图5所示， 由于压力的作用挤出了少量钎料，使得钎缝变窄，对提高接头性能 有力，剪切强度达到102MPa。
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1.1铝基复合材料焊接的难点 金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的焊 接，还要考虑金属与增强相的结合。因此，关键是增强 相与基体、增强相之间的结合。
（1）界面反应 通过冶金和工艺方面的措施解决： 1)冶金措施 加入活性比基体金属更强的元素或能阻止界面反应的 元素。例如，加入Ti可以取代铝与碳化硅的反应。提高基体中Si的 含量可抑制AI与SiC的反应。 2）改善焊接工艺 通过控制加热温度和焊接时间来避免或限制界面反应的发生。如 钎焊时，由于温度较低，基体不熔化，加上钎料金属的阻止作用， 不易引起界面反应。
其难点是： （1）界面反应 复合材料的金属基体和增强相之间，在较大的温 度范围内是热力学不稳定的，加热到一定温度界 面会发生化学反应。 （2）界面润湿性差
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由于铝基复合材料的陶瓷增强相的物性与基体差异 很大，其焊接性不好，难以形成可靠的接头，限制了该 种材料的推广应用[7-10]。近30年来，人们对铝基复合材 料的焊接方法进行了大量研究，涉及的焊接方法有熔化 焊、摩擦焊、钎焊、瞬时液相扩散连接等方法[11-16]。近 年来一些新的焊接技术如电子束焊、激光焊和搅拌摩擦 焊也被用于铝基复合材料的焊接。其中钎焊及扩散焊不 涉及基体金属的熔化，焊接应力小，是目前应用前景十 分广阔的连接方法[16-18]，因此深入研究铝基复合材料的 钎焊及扩散焊界面形成机理显得格外重要。
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（3）超声波辅助钎焊方法 铝基复合材料在普通钎焊工艺条件下，其接头强度通常都不高。在钎焊工 艺中引入超声波是目前值得研究的新工艺。文献[18]研究了高体积分数铝基 复合材料的超声波钎焊，工艺示意图如图3所示，这种方法可以在大气环境 下不使用钎剂去除铝合金表面的氧化膜，促进钎料对陶瓷的润湿。润湿性 随着超声振动时间的延长而提高，不仅可以润湿铝基体，钎料也能逐渐润 湿表面SiC相颗粒，接头的剪切强度达到155.6MPa。
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Re
v
MeX Re X
v
Me
v G bulk G 0 Re X v G 0 M e X
v
RT ln aMe RT ln aRe
G 0 M e X
式中：
、 G0 Re X v
分别为反应产物和增强相陶瓷的标准形成自由能；
aMe 和 aRe 分别为Me和Re在液态金属M中的活度。
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陶瓷材料主要化学键与金属不同，含有离子键或 共价键，表现出非常稳定的电子配位。钎焊时陶 瓷表面很难被金属钎料润湿[19]。钎焊时钎剂和 真空条件对陶瓷/金属润湿性没有直接影响，要 实现铝基复合材料的有效连接，工艺方法十分重 要。
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F 石墨 F
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目前固相扩散连接也是连接复合材料的常用方法之 一。与钎焊工艺相比，固相扩散连接形成的接头不存在 低熔点钎料金属或合金，接头质量稳定，可以制备出耐 高温的接头。扩散连接分为无中间层和有中间层两大类 。无中间层的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，温度较高，压力大。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 胀系数和弹性模量差异大，易在界面附近产生高的残余 应力，一般很难实现陶瓷与金属的直接扩散连接。而在 连结界面插入适当的中间层，不仅能降低连接温度和压 力，还能显著降低残余应力，提高接头强度。扩散连接 要求接触面无氧化层及其它污染物，接触面越大越好[25] 。
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金属基复合材料由于比强度高、比刚度高和 耐磨性好等优点，成为应用前景很好的新材料。 其中铝基复合材料以其制备容易、成本低、性能 和功能性强等优点引人注目，在航天、航空结构 件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应 用前景[1-5]。颗粒增强铝基复合材料已成功用于 飞机机身的盖板、转向架和车辆零部件的批量生 产，在电子器件封装领域也有广阔的应用前景[57]。
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