下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间能够实现焊接的前提是金属材料对陶瓷能不能润湿。研究发现，钎料的润湿铺展有三个过程：首先，是快速的非反应铺展过程；其次，是反应过程，这个阶段钎料的润湿铺展加快，对于AgCuZn钎料，在氧化铝陶瓷上的润湿铺展与在界面生成的钛的氧化物有关；最后阶段，仍然处在反应过程中，AgCuZn钎料在氧化铝陶瓷上的润湿铺展由生成的Cu 3 Ti 3 O化合物决定。润湿铺展的润湿条件是加热温度、保温时间、反应产物、活性元素的含量等。
1.钎焊温度对润湿性的影响
以摩尔分数（%）Au-40Ni在陶瓷ZrB 2 在上的润湿为例，在980℃生成Ni的硼化物的情况下，润湿角及液滴半径随着时间的变化如图2-1所示，呈缓慢抛物线关系。而当温度升高到1170℃时，Ni的硼化物已经不能稳定存在，这时Zr 2 B则剧烈地向Au-40Ni钎料中溶解，其润湿角及液滴半径随着时间的变化如图2-2所示。可以看出，保温时间随着钎焊温度的变化而发生影响。可以认为，这实际上也是反应产物的影响。
图2-1 980℃时Au-40Ni陶瓷ZrB 2 在上的润湿角及液滴半径随着时间的变化曲线
图2-2 1170℃时Au-40Ni陶瓷ZrB 2 在上的润湿角及液滴半径随着时间的变化曲线
2.活性元素含量的影响
（1）活性元素含量对润湿性的影响 在采用AgCu-Ti/Al 2 O 3 的AgCu-Ti/Al 2 O 3 润湿体系中，钎料中的Ti是钎料能够在Al 2 O 3 陶瓷润湿的关键。在AgCu（共晶合金）中添加摩尔分数3%的Ti，其稳定的润湿角就降低为10°。而Ti含量较低，界面只生成Ti 1.75 O时，其稳定的润湿角就升高为60°～65°。这说明活性元素含量的提高有利于改善润湿性。
（2）反应产物的影响
1）活性元素在反应产物中含量的影响。NiPd-Ti合金（钎料）在单晶氧化铝表面的平衡润湿角与钎料中Ti的摩尔分数有关，在1300℃下，这个关系如图2-3所示。可以看出，Ti在氧化物中的摩尔分数越高，润湿角越小，表明润湿性越好。
图2-3 1300℃时NiPd-Ti合金（钎料）在单晶氧化铝表面的平衡润湿角与Ti的摩尔分数的关系
2）反应产物中形成固溶体的影响。采用AgCuZn钎料在TiC-Ni陶瓷表面进行润湿性研究中发现，Zn有利于促进陶瓷中的Ni向钎料中发生溶解反应，而与钎料中的Cu形成（Cu，Ni）固溶体，使之由非润湿转变为润湿状态。
由此可以看到，钎料在陶瓷表面对润湿铺展与钎焊温度、保温时间、钎料和陶瓷成分息息相关，是这些因素综合作用的结果，是一个相当复杂的过程。
图2-4给出了AgCuZn钎料对SiO 2 /SiO 2 复合材料进行钎焊时的界面组织演变过程。在SiO 2 /SiO 2 复合材料侧产生两个反应层，优先生成的是靠近陶瓷的TiO+TiSi反应层，随后是在靠近AgCuZn钎料侧产生的CuTiO。就是这两个反应层实现了AgCuZn钎料对SiO 2 /SiO 2 复合材料的钎焊连接。
图2-4 AgCuZn钎料对SiO 2 /SiO 2 复合材料进行钎焊时的界面组织演变过程
1.陶瓷材料的润湿性很差
陶瓷材料的润湿性很差或者根本就不能润湿是影响其焊接加工的首要问题。陶瓷材料与金属的原子键结构根本不同，陶瓷材料主要是离子键和共价键，表现为非常稳定的电子配位。这样，欲通过熔化焊使金属与陶瓷材料产生接触是不可能的，也很难被熔化的金属所湿润。因此，在陶瓷材料之间或陶瓷材料与金属之间直接进行熔化焊接是十分困难的。
2.陶瓷材料与金属之间的线胀系数之差大，残余应力大，容易产生裂纹
陶瓷材料的线胀系数很小，而金属的线胀系数较大（见图2-5），通过加热来连接陶瓷材料与金属（或用金属作为中间层来连接陶瓷材料）时，会产生较大的残余应力，削弱接头的力学性能，甚至导致接头开裂。
图2-5 金属与陶瓷的线胀系数的比较
线胀系数不同是影响金属与陶瓷异种材料焊接接头力学性能的基本要素之一。由于两者线胀系数不同，在从焊接温度冷却下来时，将会产生较大的残余应力。
在弹性范围内因线胀系数不匹配时，两材料之间将产生的残余压力可用下式给出：
式中 σ ——残余压力；
E ——弹性模量；
α ——线胀系数；
Δ T ——焊接温度与室温之差。
由上式可见，焊接温度与室温之差Δ T 和线胀系数之差越大，残余应力也越大。陶瓷与金属焊接时，陶瓷的线胀系数较小，因此，一般来说，陶瓷受压，金属受拉。若用塑性中间层，则使接头中的残余应力更加复杂。
降低这种残余应力的方法有三种：一是选用合理的表面加工及结合角度等形状；二是在陶瓷与金属之间插入能够缓和焊接残余应力的过渡中间层；三是设计合理的焊接接头形式。而采用过渡中间层的方法也有两点：一是采用低线胀系数的金属作为过渡中间层；二是使高残余应力向韧性好的金属方向移动，使较软的过渡中间层金属发生塑性变形而降低应力。前者以W、Mo及其合金箔为多，但它们的线胀系数也无法与陶瓷材料一致，作为后者的金属为无氧铜，但其降低残余应力的效果与厚度有关。
接头的形状尺寸对残余应力也有很大影响。
从上面两个方面来考虑，它们都是由金属与陶瓷异种材料的焊接温度较高引起的。与钎焊和扩散焊相比，摩擦焊与阳极结合的加热温度较低和焊接时间较短，对金属与陶瓷异种材料的焊接可能更加有利。
3.陶瓷材料与金属的结合界面
由于陶瓷材料与金属之间的焊接不能通过加热、熔化、结晶的方式进行，只能通过扩散及（或）反应形成的过渡层来实现连接。这个界面反应通过三种途径而发生：由于陶瓷材料一般由烧结而成，因此存在一定的空隙，将会发生渗透现象；元素的扩散和元素之间发生化学反应，这个过程对于陶瓷材料与金属接头的形成和性能有决定性的影响。因此，研究这个界面反应对于陶瓷材料的焊接有重要意义。
当集中加热（比如熔化焊）时，在接头的陶瓷一侧容易产生高的残余应力，此处很容易产生裂纹。
4.陶瓷材料导电性差
大部分陶瓷材料的导电性差或基本上不导电，因此，很难采用电焊的方法来连接陶瓷材料，必须采取特殊的措施。
5.陶瓷材料的熔点高、硬度和强度高
陶瓷材料的熔点高，硬度和强度高，不易变形，陶瓷材料之间以及陶瓷材料与金属之间的扩散焊接都比较困难。扩散焊接时要求被连接表面非常平整（要求表面粗糙度 Ra 值小于0.1μm）和清洁，稳定性要求高，焊接时间长。
