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陶瓷金属材料论文

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1玻璃-金属封接

玻璃-金属封接的主要问题为两者的物理化学不相容和热应力问题。玻璃的主要成分为SiO2,Al2O3,为典型的非金属材料,为共价键连接结构,而金属则以电子云的方式结合,导致熔融状态的玻璃材料在金属表面无法润湿铺展,从而无法达到玻璃-金属的封接。此外,玻璃与一般金属的热膨胀系数相差很大,即使两者能够润湿连接,也会在冷却过程中产生较大的应力,甚至出现玻璃炸裂的现象。针对物理化学不相容性问题,主要采用金属材料表面改性的方法,以达到熔融玻璃与金属的润湿铺展。在电真空行业,目前广泛应用的金属表面改性方法是金属表面预氧化,首先在含氧氛围中加热金属表面,使表面产生与基体结合紧密的氧化膜(如Fe2O3,Fe3O4等),该氧化膜可与熔融的玻璃润湿铺展,从而解决玻璃-金属物理化学不相容问题。针对玻璃-金属封接应力问题,目前主要采用开发热膨胀系数相近的玻璃、金属的方法。目前在玻璃-金属封接中应用较为广泛的金属材料为Fe-Co-Ni系膨胀合金(如4J29)和封接玻璃(如DM-308)。陈文莉等人[1]通过添加金属氧化物(MnO2,Co2O3等)等对DM-308型电子玻璃进行改性,使玻璃的抗弯强度提高7%,并改善了玻璃与可伐合金的封接强度,使两者封接面的抗剪强度提高了15.6%。分析指出,添加金属氧化物加速界面处可伐合金中的金属元素向玻璃中的扩散是改善封接性能的主要原因。胡忠武等人[2]采用金相、XRD,SEM等手段,研究了氧化膜的连续性、厚度对玻璃-可伐合金封接件的透气率、抗拉强度的影响。研究指出,只有当金属氧化物的摩尔体积与金属元素的摩尔体积之比略大于1时,金属表面才能形成覆盖连续且致密的氧化膜;具有尖晶石结构的氧化膜对封接有利,且氧化膜的最佳增重为3~7g/m2。DongqiangLei等人[3]针对太阳能接收器玻璃-可伐封接的薄弱环节,利用高频感应加热方式,对预先氧化的可伐合金与玻璃进行封接试验,并测试了接头的密封性能、接头强度、抗温度冲击性能及结合面的显微组织。试验结果表明,0.3~0.8mg/cm2的可伐合金预氧化增重条件可得到良好的玻璃-可伐封接接头。笔者还利用试验测量和ANSYS有限元方法[4]测定和计算了太阳能接收管可伐与玻璃封接接头的残余应力,试验结果与有限元计算结果相吻合,并指出接头的薄弱点不仅出现在玻璃-可伐的封接面,玻璃外表面靠近封接面处也是应力集中较大的区域。此外,金属环伸入玻璃管的长度越大,则接头的最大残余应力就减小。

2陶瓷-金属封接

与玻璃-金属封接相似,陶瓷-金属封接亦有2种材料物理化学不相容和热应力问题。陶瓷-金属封接工艺主要通过陶瓷表面烧结金属化层的方式实现与金属材料的表面润湿。对热应力的释放则依赖于金属化层和钎焊过程中钎料的变形和缓冲。陶瓷-金属封接广泛采用的是烧结金属粉末法(如活性钼-锰法),该连接工艺主要包括陶瓷的处理、膏粉的制备、涂膏、金属化烧结、镀镍、二次金属化、钎焊等过程。陶瓷表面金属化层的质量是决定整个陶瓷-金属封接接头的主要环节。目前对该种方法的研究主要集中在陶瓷表面金属化的机理研究、表面金属化强度提高、陶瓷与金属化层强度表征等。北京真空电子技术研究所对陶瓷-金属封接工艺及机理开展了大量研究工作。张巨先等人[5]研究了不同陶瓷表面金属化时金属粉与陶瓷相的相互作用机理。针对w(Al2O3)95%陶瓷采用Mo含量不同的粉末对陶瓷表面金属化,指出在金属化过程中,Mo颗粒形成骨架网络,金属粉中的玻璃相填充骨架网络的空隙,并与w(Al2O3)95%陶瓷中的玻璃相融和,通过毛细作用渗入陶瓷,得到有一定强度的致密金属化层,当玻璃相含量较高时,会在骨架网络中形成较多的内闭口气孔。针对高纯Al2O3陶瓷[6],由于陶瓷内部无玻璃相及玻璃相迁移通道,其金属化主要通过Al2O3相表面细小颗粒的溶解、沉淀、析出及玻璃相对Al2O3陶瓷表面的润湿过程,实现致密结构。赵世柯等人[7]采用传统的Mo-Mn法对透明Al2O3陶瓷进行了金属化,获得了气密性可靠的陶瓷-金属封接件,并指出金属化层与陶瓷之间的结合主要来源于金属化层中的玻璃态物质表面良好的润湿性。由于制备工艺的限制,陶瓷内部存在随机的内部和表面缺陷,则其与金属封接接头的强度具有很大的分散性。石明等人[8]采用Weibull统计和正态分布,对氧化铝陶瓷的封接强度进行统计分析,试验表明,Weibull模数和变异系数可以表征材料强度的离散性。

3陶瓷-金属活性钎焊

陶瓷-金属活性钎焊工艺利用传统的钎焊方法,通过在钎料中添加活性成分(Ti,Zr等),可以增大钎料对氧化物、硅酸盐等物质的亲和力,实现钎料对陶瓷表面的润湿和铺展,完成陶瓷-金属的钎焊,而钎料对金属侧的润湿能力一般都较强,因此对其研究较少。相对于陶瓷-金属封接工艺,陶瓷-金属活性钎焊具有工序少、周期短、封接温度低、零件变形小等优点,因此成为近年来陶瓷-金属连接方向的研究热点。YLiu等人[9]研究了SiC陶瓷的活性钎焊(Ag-35.25Cu-1.75Ti)工艺(温度、保温时间)对接头力学行为的影响,研究指出,随着钎焊温度的升高,钎焊接头的弯曲强度升高,但随着保温时间的延长,活性钎料与陶瓷间的反应厚度增大,形成较多的脆性金属间化合物,使接头的力学性能下降。此外,笔者通过XRD手段分析了界面的反应产物,发现陶瓷与活性钎料的连接面由SiC/连续细小的TiC层/不连续粗大的Ti5Si3层/填充合金层组成,从而验证了活性元素Ti与SiC陶瓷间的反应产物。ZWYang等人[10]研究了SiO2-BN陶瓷与因瓦合金的Ag-21Cu-4.5Ti活性钎焊。钎焊温度为1113~1173K,保温时间为5~30min。通过扫描电镜和投射电镜分析发现,非晶态SO2在钎焊过程中活性较低,而h-BN与Ti反应生成细晶反应层的活性较大,钎焊过程中形成了100~150nm厚的TiN-TiB2反应层,从而实现了陶瓷与金属的连接接头。而因瓦合金中的Fe,Ni元素与Ti元素反应生成Fe2Ti,Ni3Ti,并固溶在Ag-Cu基体中,随着脆性相Fe2Ti,Ni3Ti含量的增高,接头的抗剪能力下降。李卓然等人[11]研究了95%氧化铝陶瓷与低碳钢Ag-Cu-Ti活性钎焊反应机理。试验采用的钎焊温度为950℃,保温时间为5min。通过XRD方法对接头不同区域的物相进行分析发现,接头由Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ti3Al+TiMn+TiFe2+Ag+Cu/TiC/低碳钢组成,钎料中的活性元素Ti,一方面和Cu与Al2O3反应形成Ti3Cu3O和Ti3Al,另一侧由于Ti是强碳化物形成元素,导致Ti向低碳钢侧扩散与C充分接触,同时较小的C原子也快速向钎料层扩散,形成连续的TiC层,另外与Fe,Mn结合生成TiFe2和TiMn。

4陶瓷-金属过渡液相扩散焊

陶瓷-金属的活性钎焊工艺可实现两者的可靠连接,但接头的高温高应力下的环境适应性较差,这是由于活性钎焊的连接温度较低,若提高钎焊温度又会引起热应力的增大。而陶瓷-金属的过渡液相扩散焊可较好地解决此问题。陶瓷-金属过渡液相扩散焊的中间层一般为复合中间层,即由一薄层低熔点金属或合金熔敷在相对较厚的高熔点核心层上。低熔点薄层熔化后扩散进入高熔点材料并与之反应,使液相消失,形成的合金或中间层性质取决于高熔点核心材料的物理性质。JiuchunYan等人[12]研究了采用Cu/Ni/Cu中间层连接Al2O3陶瓷与6061铝合金。钎焊温度为580℃,随着保温时间的延长,接头的抗剪强度呈提高趋势;钎缝部位有纯Ni层、Al0.9Ni1.1化合物层、Al基固溶体的存在;钎缝中的Al-Cu的共晶组织增强了Ni层的扩散,并缩短了钎焊时间。MBrochu等人[13]研究了使用Cu-Ti/Ni/Al中间层局部过渡液相扩散连接Si3N4陶瓷和FA-129铁铝合金。预加压应力为300kPa,首先以10℃/min的加热速度加热到950~1100℃,并保温30min,之后以5℃/min的速度加热到1100~1200℃,并保温1.5~6h完成均匀化过程,最后以55℃/min的速度降温到300℃。其中Cu-Ti以粉末状夹在Si3N4/Ni之间,而Al以箔状夹在Ni/FA-129之间,最终接头的弯曲强度约为80MPa。李京龙等人[14]以Ti/Ni/Ti为中间层,利用局部过渡液相扩散方法对多孔C/SiC材料进行了连接。中间层中的活性元素Ti对C/SiC润湿性能良好,因而形成了能够沿连接界面孔隙渗入C/SiC基体内。接头冷却后可形成“扎钉结构”,从而提高接头的连接强度。

5结语

无机非金属材料与金属材料分别具有其独特的力学、电学性能,两者的连接被广泛应用于工业生产及科研工作中。无机非金属材料与金属材料的连接难点主要是物理化学性不相容及连接的热应力问题。(1)玻璃-金属封接工艺对金属(如Kovar合金)表面预氧化以达到与玻璃的润湿连接,Kovar合金则具有与玻璃相近的热膨胀系数,从而减小连接热应力。(2)陶瓷-金属封接工艺对陶瓷表面涂膏、烧结、电镀后,形成与陶瓷致密连接的金属化层,从而可以直接与金属材料钎焊得到符合要求的接头。(3)陶瓷-金属活性钎焊利用活性元素(如Ti等)直接与陶瓷相反应连接,可很大程度上减少工艺复杂性。(4)陶瓷-金属过渡液相扩散焊工艺加入中间层设计,可大幅减小接头的钎焊应力,提高接头的力学性能,提升接头的高温高应力环境适应性。总之,不同的连接工艺均有其侧重点与优劣势,在工业生产及科研活动中,需要根据实际要求及经济性等方面选择合适的非金属材料-金属材料连接方法[15]。

作者:张卫之程焰林马迎英单位:中国工程物理研究院电子工程研究所

陶瓷金属材料论文责任编辑:杨雪    阅读:人次