2.5.1 金属与陶瓷材料扩散焊中的中间层

由于陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀及特殊的电化学性能，故其近年来得到了飞快的发展，特别是一些具有特殊性能的工程陶瓷，已经在生产中得到应用。但是，常常遇到把陶瓷本身或与其他材料连接在一起的问题。近年来，陶瓷材料连接技术已经成为国际焊接界研究的热门课题。采用中间层是解决陶瓷材料焊接问题的有效方法。

1.陶瓷材料焊接中的中间层

（1）陶瓷材料焊接中中间层的作用

1）改善焊接性。在扩散连接（或钎焊）过程中，很多熔化的金属在陶瓷表面不能润湿。因此，在陶瓷连接过程中，往往在陶瓷表面用物理或化学的方法涂上一层金属，这也称为陶瓷表面的金属化，而后再进行陶瓷与其他金属的连接。实际上就把陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他金属的连接变成了金属之间的连接，这也是过去常用来连接陶瓷的方法。但是，这种方法有一点不足，即接头的结合强度不太高，主要用于密封的焊缝。对于结构陶瓷，如果连接界面要承受较高的应力，扩散连接时必须选择一些活性金属作为中间层，或让中间层材料中含有一些活性元素，以改善和促进金属在陶瓷表面的润湿过程。

2）降低内应力。金属与陶瓷材料连接时，由于陶瓷与金属线胀系数不同，在扩散连接或使用过程中，加热和冷却必然产生热应力，容易在接头处由于残余内应力的作用而破坏。因此，常加入中间层缓和这种内应力，通过韧性好的中间层变形吸收这种内应力。选择连接材料时，应当使两种连接材料的线胀系数差小于10%。

（2）陶瓷材料连接中间层的选择 有以下几个原则：

1）用活性材料或这种材料生成的能与陶瓷进行反应的物质，改善润湿和结合情况。

2）用塑性较好的金属做中间层，以缓解接头内应力。

3）通过在冷却过程中发生相变，使中间层体积膨胀或缩小，来缓和接头的内应力。

4）用作中间层或连接的材料必须有良好的真空密封性，在很薄的情况下也不能泄漏。

5）必须有较好的加工性能。

实际上很难找到完全满足上述要求的材料，有时为了满足综合性能的要求，可采用两层或三层不同金属组合的中间过渡层。

常用的中间层合金材料有不锈钢（1Cr18Ni9Ti）、可伐合金等，用作中间层的纯金属主要有铜、镍、钽、钴、钛、锆、钼及钨等。

2.陶瓷材料焊接中中间层的应用

（1）用活性金属做中间层的连接 这种方法的原理是活性金属在高温下与陶瓷材料中的结晶相发生化学反应，生成新的氧化物、碳化物或氮化物，使陶瓷与反应生成物层形成可靠的结合，最后形成材料间的可靠连接。

常用的活性金属主要有铝、钛、锆、铌及铪等，这些都是很强的氧化物、碳化物及氮化物形成元素，它们可以与氧化物、碳化物、氮化物陶瓷反应，从而改善金属对连接界面的润湿、扩散和连接性能。活性金属与陶瓷相的典型反应如下：

Si₃N₄+4Al═══3Si+4AlN

Si₃N₄+4Ti═══3Si+4TiN

3SiC+4Al═══3Si+Al₄C₃

4SiC+3Ti═══4Si+Ti₃C₄

3SiO₂+4Al═══Al₂O₃+3Si

Al₂O₃+4Al═══3Al₂O

Si₃N₄+4Zr═══3Si+4ZrN

以这种反应为基础，可以用活性金属做中间层连接陶瓷。表2-31列出了一些金属与陶瓷连接的试验结果。钛、锆金属也可以与其他陶瓷很好地结合。

用钛箔做中间层连接Y₂O₃3%（质量分数）-ZrO₂陶瓷和碳素钢的接头性能与结合条件的关系如图2-20所示。弯曲破坏发生在ZrO₂与钛的界面。

用铝做中间层连接陶瓷，不同扩散焊接温度条件下，接头的界面结构和抗弯强度与试验温度的关系如图2-21所示。由图中可以看出，低温连接时，由于在接头界面残留有铝，因此接头的抗弯强度随着温度的升高而急剧下降，经过1970K处理的接头抗弯强度随着试验温度的升高而增加（见图2-21b），这是由于残留的铝更加致密，而使AlN与AlSi聚合带更加致密。

用活性金属做中间层，活性金属与陶瓷进行化学反应而形成连接带，通过连接带连接陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属。

（2）用氧化物组成复合盐作为中间层 这种连接形式是通过在金属表面生成一定的氧化物，而后在一定温度下，使带有氧化物的连接表面与陶瓷连接，造成金属表面氧化物与陶瓷中的氧化物发生共晶反应，组成新的复合盐，从而达到连接的目的。

在用铜做中间层连接陶瓷与石英玻璃时，就有这种反应。如用铜做中间层连接Al₂O₃，焊前通过氧化铜变成低价的氧化亚铜，而后与Al₂O₃反应生成CuAl₂O₄。

Cu₂O与基体结合较好，同时它的线胀系数与石英玻璃相近。因此，也可以用这种方法连接石英玻璃。

这种方法的加工工艺是在真空中把铜加热到950℃，保温3min，而后冷却。当温度降至300～400℃之间时通入空气，在铜的表面生成玫瑰色的致密氧化膜。为了避免Cu₂O在真空中分解升华，扩散连接应在1.7×10-2～1.3×10-1Pa较低的真空度下进行，生成的CuAl₂O₄可以连接铜和Al₂O₃，但铜表面的氧化膜不能太厚，氧化膜的厚度应控制在3～10μm。图2-22及图2-23给出了铜与Al₂O₃连接时，铜表面氧化膜厚度与接头抗拉强度和断裂韧度的关系。

由图2-22和图2-23可以看出，铜表面的氧化膜厚度必须控制在适当的范围。当铜表面的Cu₂O膜太薄时，由于生成共晶太少，不足以改善对Al₂O₃表面的润湿性，连接不良；而当Cu₂O膜太厚时，则由于生成的CuAl₂O₄太厚太脆，使接头性能变差。

（3）用复合中间层的扩散焊 可以用线胀系数相近的材料作为中间层，或从接头结构设计、连接工艺中想办法加以解决，以得到满足工程要求的优质接头。其中一个有效的方法就是用复合中间层来保证接头性能。

在Al₂O₃与黄铜之间加入钼、金属陶瓷、钛及铌做中间层，用有限元计算，温度在700～725℃之间。由于材料线胀系数的差异，在接头处产生的内应力大小与中间层厚度的关系如图2-24所示。表2-32给出了几种物质的线胀系数。

由图2-24及表2-32中的数据可以看出：由于Al₂O₃与Nb的线胀系数相同，因此用Nb做中间层接头内应力最小。但用Nb做中间层与钢连接时，Nb可以与钢中的碳形成脆性的碳化物（NbC），使接头性能变差。因此，又加入Mo来防止Nb与钢的直接作用，则形成Al₂O₃/Nb/Mo/钢接头。钼层的厚度也直接影响接头内应力的大小，钼层厚度对该接头内应力的影响如图2-25所示。

当然也可以用Ti代替Nb进行Al₂O₃与SiO₂陶瓷和不锈钢的连接，再加Ni做复合中间层也得到类似的结果。