2.7 金属与陶瓷材料的摩擦焊

摩擦焊比较适合于金属与陶瓷材料的焊接，各种铝合金与陶瓷的摩擦焊都得到了高强度的焊接接头。以贵金属及各种活性金属作为过渡层，对无氧铜与SiC、Si ₃ N ₄ 和部分稳定化的ZrO ₂ 陶瓷进行摩擦焊的结果表明，用Fe、Ni、Ag金属箔作为过渡层时，与直接焊接一样，在焊接之后就在界面发生分离，得不到一个优质的焊接接头。但是，以Ti、Zr、Nb等活性金属和Al金属箔作为过渡层时，就可以得到一个优质的焊接接头，且可以明显看到无氧铜的变形。这种结果表明，即使对于摩擦焊，活性金属作为过渡层也能改善金属与陶瓷材料的焊接接头强度。分析后看到，在结合界面的铜中，存在着活性金属与铜机械混合的很复杂的组织，其最大的宽度可达数百微米。但是，其反应层比钎焊和扩散焊都薄，用透射电镜也看不到。图2-41所示为用Ti作为过渡层时SiC-Cu摩擦焊接头的界面层。可以看到，与SiC陶瓷结合处有约10nm厚的一层Cu，接着就是20nm厚的TiC层。在TiC层的Cu侧形成Ti ₅ Si ₃ 层（在图2-41的范围里看不到）。同样的反应层，在摩擦焊的界面也是非常薄，比用Cu-Ti合金作为钎料的钎焊接头的界面要薄得多。钎焊界面上TiC层与SiC层之间的Cu层对接头强度有着不良的影响，且Cu层越厚，接头强度越低。摩擦焊焊接接头的拉伸试验及弯曲试验都断在陶瓷上，界面反应层对接头强度没有明显的影响。而钎焊时，反应层如果较薄，对接头强度是有好处的。

为了了解图2-41所示界面反应层是如何形成的，在焊接凝固后，立即将其投入冰水中，使其保持凝固时的组织状态，其结果如图2-42所示。Cu、TiC、Ti ₅ Si ₃ 都看不到，这说明它们都是在焊后缓慢冷却中形成的。但是，在结合界面上有一个几纳米宽的富Ti层。这可以看出Ti过渡层金属的明显作用，用Nb作为过渡层也可以看到同样的效果。

用活性金属作为过渡层之所以能够改善摩擦焊焊接接头的强度，可能是去除了陶瓷表面氧化膜的缘故。图2-43给出了用Ti作为过渡层时在SiC-Cu摩擦焊接头的界面上残留的Si-O系非晶体氧化物，这个氧化物来源于SiC陶瓷表面的氧化膜。其大部分在摩擦焊过程中因与Ti活性金属过渡层作用而除去。

表2-43给出了以Ti、Nb、Zr作为过渡层时SiC-Cu摩擦焊接头弯曲试验的结果（试验条件为：Ⅰ ——t =10s， p =30MPa；Ⅱ ——t =6s， p =30MPa；Ⅲ ——t =10s， p =70MPa）。可以看到，在大多数情况下都是断在结合面临近的SiC陶瓷上，但断裂强度比SiC陶瓷低，这可能是由残余应力及摩擦扭矩产生的缺陷造成的。适当地选择活性金属过渡层的厚度及其化学成分可以改善摩擦焊焊接接头的强度。

表2-44还给出了一些陶瓷与铝和铝合金摩擦焊的接头强度。