金属和陶瓷的钎焊技术及新发展

金属和陶瓷的钎焊技术及新发展

金属和陶瓷的钎焊技术及新发展

摘要：综述了金属和陶瓷常用的钎焊工艺和部分瞬间液相(r,rlp)钎焊法，指出了金属和陶瓷钎焊的难点，展望了其发展趋势。活性

金属钎焊能有效改善陶瓷表面的润湿性，具有广泛的应用前景，而pn』p法为金属与陶瓷的高强度耐热连接开辟了一个新途径，正不断

引起人们极大的兴趣和关注。

关键词：金属；陶瓷；

中图分类号：tg454

钎焊；部分瞬间液相钎焊

文献标识码：a

工程陶瓷以其优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能特

点．已发展成为被普遍认可的高性能结构材料，但陶瓷件塑性

差、不耐冲击．使其应用受到限制i1]。金属和陶瓷的钎焊技术

可以实现2种材料性能优点的相互结合，从而有效扩大其应用

范围。是当前材料科学和工程领域的研究热点之一。钎焊是采

用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到钎料

熔点和母材熔点之间的温度，利用液态钎料润湿母材、填充接

头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法[2]。由于普通金

属钎料在陶瓷表面润湿性很差。因此提高钎料在陶瓷表面的润

湿性是保证钎焊质量的关键。此外，金属和陶瓷物理性能、力

学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。

1 金属和陶瓷钎焊的难点

金属陶瓷钎焊的主要难点在于冶金不相容和物性不匹配。

冶金不相容是指钎料熔化后对陶瓷不浸润，难以在熔接区和陶

瓷实现原子间的冶金结合：物性不匹配是指金属陶瓷的热膨胀

系数差异太大。在钎焊结合区存在很大的应力梯度。钎焊产生

的热应力使连接强度降低、质量难以满足需要。目前常常通过

添加活性元素以改善钎料在陶瓷表面的润湿性，采用添加缓冲

层的方法来解决金属陶瓷物性不匹配的问题。缓冲层分为软性

缓冲层、硬性缓冲层和软硬双层缓冲层三大类。软性缓冲层的

热膨胀系数较高，夹在金属钎料与陶瓷之间可以解决热膨胀不

匹配引起的残余应力．但与金属间的连接往往不够理想．因此

在某些情况下采用软硬双层缓冲层：一层是与陶瓷有较好结合

强度的软性缓冲层；一层是低膨胀系数的硬性缓冲层．夹在钎

料与陶瓷之间进行施焊．这种方法能够在一定的程度上改善接

头性能。但缓冲层增多使施焊工艺复杂．并且使缓冲层变厚，

收稿日期：20xx一o1—15：修回日期：20xx—07—12

基金项目：国防科学技术工业委员会项目(jpp，r一115—298)

陶瓷与金属的连接实际上会变成依靠缓冲层来连接，致使钎焊

接头各项性能指标下降。

2 常用的金属和陶瓷钎焊方法

目前常用的钎焊方法有陶瓷表面金属化法和活性金属

法。

2．1 陶瓷表面金属化法

陶瓷表面金属化法，也称为两步法[5]，是先对陶瓷表面进

行金属化处理．采用烧结或其它方法在陶瓷表面涂镀一层金属

作为中间层，然后用钎料把金属镀层和金属钎焊在一起。陶瓷

表面金属化的方法有很多，如mo—mn法、气相沉积、化学镀

和离子注入等问，常用的是mo-mn法，一般工艺过程为：将mo—

mn粉制成膏剂涂在陶瓷表面，在1 000—1 800 oc的n2或h2气氛中烧结后，表面形成玻璃相，同时部分金属氧化物被还原，产生

金属表面层，最后在表面镀上一层金属(常用镍) 。mo—mn

法烧结金属粉末的常用配方和烧结工艺参数见表1。目前。

mo—mn法在工业上已得到广泛应用。但这种传统的连接方法工艺复杂，费时耗资。

表1 常用的mo-mn法金属化配方和烧结工艺参数

序配方组成(质量分数) ％) 涂层厚度金属化温度

．号适用陶瓷

mo idn mno al sio2 ca0 mgo fe m 保温时间／min

，

1 80 20 75％aj2o3 30—m 1 350．30—6o

2 45 18．2 20．9 12．1 2-2 1 1 0．5 95％aj 6 70 1 470，60

3 65 17．5 7．5(95瓷 95％aj203 35—45 1 550．60

4 59 95％a1203

．5 17．9 12．9 7．9 1．8 (m 6o 8o 1 510．50

g-aj—si)

5 50 17．5 19．5 l1．5 1．5 透明刚玉 50～6o 1 400—1 500．40 99％bno 1 400，30

6 70 9 12 8 1 40 o

95％aj2o1 1 500．60

气相沉积法包括物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积

(cvd)和等离子反应法。对金属和陶瓷的钎焊技术及新发展第2页于a1n，sic等非氧化物陶瓷与金

2 ·专题综述· 焊接技术第36卷第5期2oo7年1o月

属的连接，大多采用pvd法。文献[8]介绍了一种应用脉冲等

离子束和pvd法对a1 0，陶瓷预金属化表面改性的方法，5次脉

冲后陶瓷表面形成纳米尺度厚度的 0 膜．再用pvd法沉积约

2 m厚的ti 0或金属；改性后的a1 0，陶瓷在初始压力为1o pa

的真空炉中采用agcu28合金钎料与可伐合金钎焊连接．接头

抗拉强度达9o mpa。

此外，张永清等人用化学镀的方法在a1 0，陶瓷表面镀ni，

厚度约48 i-tm，然后在辉光钎焊炉中用ag—cu钎料与q235钢钎

焊连接．接头抗剪强度达到了78 mpa；朱胜_103等人研究了用射

频溅射薄膜改善a1n陶瓷与金属连接性的方法：用射频溅射法

将。al沉积~ua1n表面．然后在真空炉中用厚度为o．1 mm的