陶瓷与金属焊接中的问题

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第685页（1392字）

由于陶瓷材料与金属原子结构之间存在本质上的差别，加上陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，因此，无论是与金属连接还是陶瓷本身的连接都存在不少问题。陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数相差较大，通过加热连接陶瓷与金属时，接头区域会产生残余应力，削弱接头的力学性能，残余应力较大时还会导致连接陶瓷接头的断裂破坏。陶瓷与金属焊接中的主要问题如下：

1．陶瓷与金属焊接中的热膨胀与热应力

陶瓷与金属的化学成分和物理性能有很大差别，特别是线膨胀系数差异很大，在焊接加热和冷却过程中两种材料各自产生差异较大的膨胀和收缩，在接头的界面附近产生较大的热应力，以至造成接头产生裂纹。一般是在焊接接头的陶瓷一侧产生裂纹并引发断裂。

2．陶瓷钎焊的润湿性

陶瓷材料润湿性很差，或者根本就不润湿。为了使陶瓷与金属达到钎焊的目的，最基本条件之一是使钎料对陶瓷表面产生润湿，或提高对陶瓷的润湿性，最后达到钎焊连接。例如，采用活性金属Ti在界面形成Ti的化合物，获得良好的润湿性。

3．陶瓷与金属的结合界面

陶瓷与金属接头在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与金属之间是通过过渡层(扩散层或反应层)而焊合的。两种材料间的界面焊合反应对接头的形成和性能有极大的影响。接头界面反应和结构是陶瓷与金属焊接研究中的重要课题。

当集中加热时，尤其是用高能密度热源进行熔焊时，靠近接头的陶瓷一侧产生高应力区域，很容易在连接过程或连接后产生裂纹。控制应力的方法之一是在焊接时应尽可能地减少焊接部位及其附近的温度梯度，控制加热和冷却速度，降低冷却速度有利于应力松弛而使应力减小。另一个减小应力的办法是采用金属中间层，使用塑性材料或线膨胀系数接近陶瓷线膨胀系数的金属材料。塑性材料是通过金属本身的塑性变形减小陶瓷中的应力，采用低线膨胀系数的金属材料做中间层则是将陶瓷中的应力转移到中间层中。同时使用两种不同的金属中间层材料也是降低热应力的有效办法之一。一般是以镍作为塑性金属，钨作为低线膨胀系数材料使用。

与陶瓷连接的金属或用做中间层的金属主要有铜、镍、铜镍合金、钨、钼、钽、铌、锆、钛、钢、膨胀合金等。对于这些金属除一般要求外，主要是要求线膨胀系数与陶瓷相近。并且在构件制造和工作过程中不发生同素异构转变，以免引起热膨胀系数的突变，破坏陶瓷与金属的匹配关系而导致连接失败。

陶瓷材料主要含有离子键或共价键，表现出非常稳定的电子配位，很难被金属键的金属钎料润湿，所以用通常的熔焊方法使金属与陶瓷产生熔合是很困难的。用金属钎料钎焊陶瓷材料时，要么对陶瓷表面先进行金属化处理，对被焊陶瓷的表面改性，或是在钎料中加入活性元素，使钎料与陶瓷之间有化学反应发生，通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生化学吸附机制，这样才能形成结合牢固的陶瓷与金属结合界面。