第五章+陶瓷材料的连接(2)

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1、主要内容主要内容陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷连接的要求和存在的问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的焊接性问题陶瓷材料的连接方法陶瓷材料的连接方法线胀系数、弹性模量差异线胀系数、弹性模量差异接头附近不均匀的热应力接头附近不均匀的热应力(陶陶瓷侧高应力瓷侧高应力) 应力集中应力集中裂纹裂纹焊接温度与室温之差很大焊接温度与室温之差很大较大的残余应力较大的残余应力一、焊接应力和裂纹一、焊接应力和裂纹缓解较大的分布不均残余应力的措施：缓解较大的分布不均残余应力的措施：加入中间层加入中间层 中间层的选择原则：中间层的选择原则： 选择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材料选

2、择弹性模量和屈服强度较低、塑性好的材料，通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷，通过中间层金属或合金的塑性变形，将陶瓷中的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷中的应力转移到中间层中，从而减小陶瓷/金属金属接头的应力。接头的应力。主要选择的中间层：主要选择的中间层：单一金属：单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合金、铜镍合金、合金钢、合金钢两种不同的金属作为复合中间层，例如：两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为塑作为塑性金属，性金属，W作为低线胀系数材料作为低线胀系数材料中间层材料的预置方式：中间层材料的预置方式：金属铂片金属铂片金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、金属粉

3、末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、喷涂、电镀喷涂、电镀中间层的影响：中间层的影响：中间层厚度增大，残余应力降低中间层厚度增大，残余应力降低若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使若中间层与母材有化学反应生成脆性化合物，会使接头恶化接头恶化其他降低残余应力的特殊措施：其他降低残余应力的特殊措施：合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下，尽可能使两者的线胀系数相差最小。，尽可能使两者的线胀系数相差最小。尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，尽可能减小焊接部位及其附件的温度梯度，控制加热速度，降低冷却速度，有利于应

4、力松弛而使焊接应力减小。降低冷却速度，有利于应力松弛而使焊接应力减小。采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接头结构。头结构。二、界面反应及形成过程二、界面反应及形成过程 接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结接头界面反应的物相结构是影响陶瓷与金属结合的关键。这些相结构取决于陶瓷与金属合的关键。这些相结构取决于陶瓷与金属(包括包括中间层中间层)的种类，也与连接条件的种类，也与连接条件(如加热温度、表如加热温度、表面状态、中间合金及厚度等面状态、中间合金及厚度等)有关。有关。1 1、界面反应产物、界面反应产物例如：例如：SiCSi

5、C与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物与金属的反应，生产该金属的碳化物、硅化物或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相或三元化合物、四元化合物、多元化合物、非晶相MeSiMeCSiCMeyxCMeSiSiCMe例如：例如：SiSi3 3N N4 4与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅化物或三与金属的反应，生成该金属的氮化物、硅化物或三元化合物元化合物例如：例如：AlAl2 2O O3 3与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或三与金属的反应，生成该金属的氧化物、铝化物或三元化合物元化合物2 2、扩散界面的形成、扩散界面的形成 陶瓷与金属各方面的差异很大，中间层元素陶瓷与金属各方面的差

6、异很大，中间层元素在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两在两种母材中的扩散能力不同，造成中间层与两侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连侧母材发生反应的程度也不同，所以产生扩散连接界面形成过程的非对称性。接界面形成过程的非对称性。例如：例如：AlAl2 2O O3 3-TiC-TiC复合陶瓷复合陶瓷与与W18Cr4VW18Cr4V高速钢扩散连接高速钢扩散连接，以以Ti/Cu/TiTi/Cu/Ti为中间层为中间层3 3、扩散连接界面反应机理、扩散连接界面反应机理(1) Al2O3-TiC/Ti界面界面(A)(2)Ti-Cu-Ti中间层内中间层内(B)(3)Ti/W18Cr4V界面近界面近

7、Ti侧侧(C)(4)Ti/W18Cr4V界面近界面近W18Cr4V侧侧(D)反应层反应层A主要为：主要为：TiO、Ti3Al和和TiC相相AlTiOOAlTi2333233TiAlAlTiTiAlAlTiAlTiAlTi33TiAlTiTiAl323AlTiTiTiAl32TiCCTi反应层反应层B主要为：主要为：CuTi、CuTi2和和TiCCuTiTiCu22CuTiTiCuTiCCTi反应层反应层C主要为：主要为：TiC和少量的和少量的FeTi相相FeTiTiFeTiFeTiFe22FeTiTiFe2TiCCTi反应层反应层D主要是：主要是：Fe3W3C等碳化物和等碳化物和-FeTiCC

8、TiW18Cr4V侧形成脱碳层侧形成脱碳层CWFeCWFe33未反应的未反应的Fe以以-Fe形式保存下来形式保存下来 Ti几乎出现在所有的界面反应产物中，表明几乎出现在所有的界面反应产物中，表明Ti参参与了界面反应的各个过程。在与了界面反应的各个过程。在Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接过程中，扩散连接过程中，Ti是界面反应的主控元素是界面反应的主控元素。4 4、扩散界面的结合强度、扩散界面的结合强度(1)(1)加热温度加热温度温度提高温度提高界面扩散反应充分，接头强度提高。界面扩散反应充分，接头强度提高。温度过高温度过高使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相使陶瓷的性能发生变化，出现脆性相