第五章 陶瓷基复合材料的焊接.ppt

《第五章 陶瓷基复合材料的焊接.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章 陶瓷基复合材料的焊接.ppt（127页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第五章陶瓷基复合材料的焊接第五章陶瓷基复合材料的焊接l l5.1 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 的分类、制备、性能及的分类、制备、性能及应用应用l l5.2 陶瓷基复合材料焊接的基本特点陶瓷基复合材料焊接的基本特点l l5.3 陶瓷基复合材料的焊接方法陶瓷基复合材料的焊接方法l l5.4 陶瓷基复合材料的钎焊陶瓷基复合材料的钎焊l l5.5 陶瓷基复合材料的扩散焊陶瓷基复合材料的扩散焊l l5.6 陶瓷基复合材料焊接的电子束焊接陶瓷基复合材料焊接的电子束焊接l l5.7 陶瓷基复合材料焊接的粘接陶瓷基复合材料焊接的粘接l l5.8 陶瓷基复合材料焊接的其他焊接方法陶瓷基复合材料焊接的其他焊接

2、方法 l5.1 陶瓷基复合材料的分类、制备、陶瓷基复合材料的分类、制备、性能及应用性能及应用l l5.1.1 碳碳复合材料的分类碳碳复合材料的分类l l5.1.2碳碳复合材料的性能及应用碳碳复合材料的性能及应用5.1 陶瓷基复合材料的分类、制备、性陶瓷基复合材料的分类、制备、性能及应用能及应用l l5.1.1 陶瓷基复合材料的分类陶瓷基复合材料的分类定义定义定义定义:陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入第二相增强材料，以实现增强、增韧日的的多相材料，又称增强材料，以实现

3、增强、增韧日的的多相材料，又称增强材料，以实现增强、增韧日的的多相材料，又称增强材料，以实现增强、增韧日的的多相材料，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。为多相复合陶瓷或复相陶瓷。为多相复合陶瓷或复相陶瓷。为多相复合陶瓷或复相陶瓷。特点特点:比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍能保持很高强

4、度。能保持很高强度。能保持很高强度。能保持很高强度。适用于高温的最佳的最佳先进复合适用于高温的最佳的最佳先进复合适用于高温的最佳的最佳先进复合适用于高温的最佳的最佳先进复合材料。材料。材料。材料。l l 根据增强相的类型，陶瓷基复合材料可分为如下几种。根据增强相的类型，陶瓷基复合材料可分为如下几种。根据增强相的类型，陶瓷基复合材料可分为如下几种。根据增强相的类型，陶瓷基复合材料可分为如下几种。l l 纤维增强陶瓷基复合材料。这类材料的纤维纤维增强陶瓷基复合材料。这类材料的纤维纤维增强陶瓷基复合材料。这类材料的纤维纤维增强陶瓷基复合材料。这类材料的纤维(或或或或)与基体与基体与基体与基体陶瓷之间

5、应具有好的化学相容性和物理相客性。常用的陶瓷之间应具有好的化学相容性和物理相客性。常用的陶瓷之间应具有好的化学相容性和物理相客性。常用的陶瓷之间应具有好的化学相容性和物理相客性。常用的纤维有纤维有纤维有纤维有SiCSiC、C C、AlAl2 2OO3 3等。等。等。等。晶须增强陶瓷基复合材料。常用的晶须主要有晶须增强陶瓷基复合材料。常用的晶须主要有晶须增强陶瓷基复合材料。常用的晶须主要有晶须增强陶瓷基复合材料。常用的晶须主要有SiC SiC 等。等。等。等。l l l l颗粒弥散增强陶瓷基复合材料。颗粒有刚性颗粒弥散增强陶瓷基复合材料。颗粒有刚性颗粒弥散增强陶瓷基复合材料。颗粒有刚性颗粒弥散增

6、强陶瓷基复合材料。颗粒有刚性(硬质硬质硬质硬质)颗颗颗颗粒相延性颗粒两种，均匀弥散于陶瓷基体中，起到增加粒相延性颗粒两种，均匀弥散于陶瓷基体中，起到增加粒相延性颗粒两种，均匀弥散于陶瓷基体中，起到增加粒相延性颗粒两种，均匀弥散于陶瓷基体中，起到增加强度和韧性的作用。强度和韧性的作用。强度和韧性的作用。强度和韧性的作用。l l刚性颗是高强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性的刚性颗是高强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性的刚性颗是高强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性的刚性颗是高强度、高硬度、高热稳定性和化学稳定性的陶瓷颗粒，例如陶瓷颗粒，例如陶瓷颗粒，例如陶瓷颗粒，例如SiCSiC、TiCTiC

7、、B B4 4C C等。等。等。等。l l延性颗粒是金属颗粒，例如延性颗粒是金属颗粒，例如延性颗粒是金属颗粒，例如延性颗粒是金属颗粒，例如CrCr等。金属的高温性能低于等。金属的高温性能低于等。金属的高温性能低于等。金属的高温性能低于陶瓷基体材料，因此延性颗粒增强的陶瓷基复合材料的陶瓷基体材料，因此延性颗粒增强的陶瓷基复合材料的陶瓷基体材料，因此延性颗粒增强的陶瓷基复合材料的陶瓷基体材料，因此延性颗粒增强的陶瓷基复合材料的高温力学性能较差，但中低温时韧性显著提高。延性颗高温力学性能较差，但中低温时韧性显著提高。延性颗高温力学性能较差，但中低温时韧性显著提高。延性颗高温力学性能较差，但中低温时韧

8、性显著提高。延性颗粒增韧陶瓷基复合材料可用于耐磨部件。常用的颗粒合粒增韧陶瓷基复合材料可用于耐磨部件。常用的颗粒合粒增韧陶瓷基复合材料可用于耐磨部件。常用的颗粒合粒增韧陶瓷基复合材料可用于耐磨部件。常用的颗粒合SiC SiC 等。等。等。等。l l l l原位生长陶瓷基复合材料。通过在基体原料中加入可原位生长陶瓷基复合材料。通过在基体原料中加入可原位生长陶瓷基复合材料。通过在基体原料中加入可原位生长陶瓷基复合材料。通过在基体原料中加入可生成第二相的元素或化合物。生成第二相的元素或化合物。生成第二相的元素或化合物。生成第二相的元素或化合物。l l在陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变在

9、陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变在陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变在陶瓷基体致密化过程中直接通过高温化学反应或相变过程，原位生长比均匀分布的增强相，形成陶瓷基复合过程，原位生长比均匀分布的增强相，形成陶瓷基复合过程，原位生长比均匀分布的增强相，形成陶瓷基复合过程，原位生长比均匀分布的增强相，形成陶瓷基复合材料。这种陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于材料。这种陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于材料。这种陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于材料。这种陶瓷复合材料的室温和高温力学性能均优于同组分的其他类型复合材料。同组分的其他类型复合材料。同组分的其他类型复合材

10、料。同组分的其他类型复合材料。l l 根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。l l l l 玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。典型的玻璃

11、基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有CfCf石英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、Nicalon/AsNicalon/As复复复复合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受

12、到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。l l 氧化物基陶瓷的基体主要有氧化物基陶瓷的基体主要有氧化物基陶瓷的基体主要有氧化物基陶瓷的基体主要有MgOMgO、AlAl2 2OO3 3、SiOSiO2 2、ZrOZrO2 2：以及莫来石等，这些材料均不宜在高应力与高温：以及莫来石等，这些材料均不宜在高应力与高温：以及莫来石等，这些材料均不宜在高应力与高温：以及莫来石等，这些材料均不宜在高应力与高温环境小使用，因为环境小使用，因为环境小使用，因为环境小使用，因为AlAl2 2OO3

13、 3、ZrOZrO2 2 的抗热振性能较差；的抗热振性能较差；的抗热振性能较差；的抗热振性能较差；SiOSiO2 2易发生高温蠕变和相变；莫来石虽然有较低的线膨易发生高温蠕变和相变；莫来石虽然有较低的线膨易发生高温蠕变和相变；莫来石虽然有较低的线膨易发生高温蠕变和相变；莫来石虽然有较低的线膨胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能超过胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能超过胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能超过胀系数和良好的抗蠕变性能，但使用温度也不能超过12001200。l l 非氧化物陶瓷，如非氧化物陶瓷，如非氧化物陶瓷，如非氧化物陶瓷，如SiSi3 3N N4 4、SiC

14、SiC等，由于具有较高的等，由于具有较高的等，由于具有较高的等，由于具有较高的强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而强度、弹性模量和抗热振性能及优异的高温力学性能而受到重视。受到重视。受到重视。受到重视。l l l l 根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶

15、瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。l l l l 玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有CfCf石英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、Nicalon/AsNicalon/As复复复复合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻

16、璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。l l5.1.2 陶瓷基复合材料的性能与应用陶瓷基复合材料的性能与应用 与一般陶瓷相比，陶瓷基复合材料具有更高的与一般陶瓷相比，陶瓷基复合材料具有更高的强

17、度及韧性强度及韧性，与，与一般金属材料相比，陶瓷基复一般金属材料相比，陶瓷基复合材料具有耐高温、耐氧化、强度高、耐腐蚀、合材料具有耐高温、耐氧化、强度高、耐腐蚀、弹性模量大等特点。弹性模量大等特点。5.1.2.1 颗粒增强陶瓷基复合材料 颗粒增强陶瓷基复合材料具有价格低、易十制造等特集，有广泛的应用价值和良好的发展前景。最常见的有碳化颗粒增强氯化砧陶瓷(s汇，乳Ni)、碳化钦增强氮化砍陶瓷(引CnShY4)、门C增强AlO陶瓷(T亿pAls()j)、：r增强人12)：陶瓷(CrPA120*)以及T汇增强陶瓷5汇(人乙si()等。农51给出了几种颐粒增强陶瓷基复合材料的性能。在核工业、航空航天工

18、业以及电真空器件生产在核工业、航空航天工业以及电真空器件生产中，陶瓷基复合材料的焊接占有非常重要的地中，陶瓷基复合材料的焊接占有非常重要的地位。目前通常遇到的陶瓷基复合材料的焊接有位。目前通常遇到的陶瓷基复合材料的焊接有如下几种形式：如下几种形式：陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与金属材料之间的焊接陶瓷基复合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复

19、合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复合材料与非金属之间的焊接陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。陶瓷基复合材料与半导体材料之间的焊接等。5.2 陶瓷基复合材料焊接的基本特点陶瓷基复合材料焊接的基本特点 最常见的形式为陶瓷基复合材料与金属之最常见的形式为陶瓷基复合材料与金属之间的焊接形式。间的焊接形式。本章主要介绍第一及第二种焊接形式。本章主要介绍第一及第二种焊接形式。5.2.1 晶须或颗粒增强陶瓷基复合材料晶须或颗粒增强陶瓷基复合材料焊接的基本特点焊接的基本特点 这类复合材料的焊接类似于单质陶瓷的这类复合材料的焊接

20、类似于单质陶瓷的焊接，一般来说，可以用焊接单质陶瓷同样焊接，一般来说，可以用焊接单质陶瓷同样的工艺来焊接这类复合材料。这是因为许多的工艺来焊接这类复合材料。这是因为许多陶瓷材料本身都可以归属于广义的复合材料；陶瓷材料本身都可以归属于广义的复合材料；在大多数情况下，复合材料的表面呈现其基在大多数情况下，复合材料的表面呈现其基体相的特征，由此可见，陶瓷基复合材料焊体相的特征，由此可见，陶瓷基复合材料焊接的基本原则与陶瓷焊接的基本原则是相同接的基本原则与陶瓷焊接的基本原则是相同的。的。注意：注意：与金属材料不同不同的陶瓷基体具有不与金属材料不同不同的陶瓷基体具有不同的键合类型，例如离子键、共价键、离

21、同的键合类型，例如离子键、共价键、离子键与共价键的混合形式等。子键与共价键的混合形式等。焊接时往往需要暂时地或局部地破坏材焊接时往往需要暂时地或局部地破坏材料的原子键合，并建立起新的键合，因此，料的原子键合，并建立起新的键合，因此，不同键合类型的陶瓷基复合材料需要采用不同键合类型的陶瓷基复合材料需要采用不同的焊接方法。不同的焊接方法。陶瓷基复合材料焊接具有陶瓷焊接的一些特点：陶瓷基复合材料焊接具有陶瓷焊接的一些特点：陶瓷熔点高而且高温分解，不能用熔化焊方法进行焊接；陶瓷熔点高而且高温分解，不能用熔化焊方法进行焊接；陶瓷熔点高而且高温分解，不能用熔化焊方法进行焊接；陶瓷熔点高而且高温分解，不能用

22、熔化焊方法进行焊接；大多数陶瓷个导电，不能利用电弧或电阻焊进行焊接；大多数陶瓷个导电，不能利用电弧或电阻焊进行焊接；大多数陶瓷个导电，不能利用电弧或电阻焊进行焊接；大多数陶瓷个导电，不能利用电弧或电阻焊进行焊接；陶瓷脆性大流塑性极差，难以利用压力焊进行焊接；化学陶瓷脆性大流塑性极差，难以利用压力焊进行焊接；化学陶瓷脆性大流塑性极差，难以利用压力焊进行焊接；化学陶瓷脆性大流塑性极差，难以利用压力焊进行焊接；化学惰性大、不易润湿因此其钎焊也较为困难。惰性大、不易润湿因此其钎焊也较为困难。惰性大、不易润湿因此其钎焊也较为困难。惰性大、不易润湿因此其钎焊也较为困难。另外，陶瓷基复合材料焊接还有自身结构

23、带来的另外，陶瓷基复合材料焊接还有自身结构带来的一些问题：一些问题：焊接过程中基体材料与增强材料可能会发生不利的反应，焊接过程中基体材料与增强材料可能会发生不利的反应，焊接过程中基体材料与增强材料可能会发生不利的反应，焊接过程中基体材料与增强材料可能会发生不利的反应，造成增强物造成增强物造成增强物造成增强物(纤维、晶须及颗粒纤维、晶须及颗粒纤维、晶须及颗粒纤维、晶须及颗粒)性能下降、因此焊接时间性能下降、因此焊接时间性能下降、因此焊接时间性能下降、因此焊接时间与温度一般都不能太长或太高。与温度一般都不能太长或太高。与温度一般都不能太长或太高。与温度一般都不能太长或太高。陶瓷基体的状态影响焊接方

24、法的选择及陶瓷基体的状态影响焊接方法的选择及焊接难易程度。焊接难易程度。例如，陶瓷粉末成形工艺可得到两种明显不同的陶例如，陶瓷粉末成形工艺可得到两种明显不同的陶瓷状态，即末烧结状态和烧结状态。一般情况下，瓷状态，即末烧结状态和烧结状态。一般情况下，未烧结态下粉末之间通过次级键结合，这种键合是未烧结态下粉末之间通过次级键结合，这种键合是很弱的。因此，未烧结态陶瓷基复合材料的焊接比很弱的。因此，未烧结态陶瓷基复合材料的焊接比烧结烧结(致密化致密化)态的要容易。态的要容易。因此，建议在末烧结状因此，建议在末烧结状态下对陶瓷基复合材料进行焊接。态下对陶瓷基复合材料进行焊接。这样做的优点是：这样做的优点

25、是：这样做的优点是：这样做的优点是：焊缝通常由与被连接部分相同的材料组成；焊接焊缝通常由与被连接部分相同的材料组成；焊接焊缝通常由与被连接部分相同的材料组成；焊接焊缝通常由与被连接部分相同的材料组成；焊接后在进行后续加工，焊缝与其他部分具有相同的后在进行后续加工，焊缝与其他部分具有相同的后在进行后续加工，焊缝与其他部分具有相同的后在进行后续加工，焊缝与其他部分具有相同的微观结构。微观结构。微观结构。微观结构。在末烧结态进行焊接的限制条件是，焊接区域与在末烧结态进行焊接的限制条件是，焊接区域与在末烧结态进行焊接的限制条件是，焊接区域与在末烧结态进行焊接的限制条件是，焊接区域与被连接部分之间必须化

26、学相容，而且在致密化以被连接部分之间必须化学相容，而且在致密化以被连接部分之间必须化学相容，而且在致密化以被连接部分之间必须化学相容，而且在致密化以后应有相同的性能。后应有相同的性能。后应有相同的性能。后应有相同的性能。5.2.3 纤维增强陶瓷基复合材料的焊接特点纤维增强陶瓷基复合材料的焊接特点与单质陶瓷、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料与单质陶瓷、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料相比，纤维增强复合材料的焊接具有自己的特点。相比，纤维增强复合材料的焊接具有自己的特点。纤维增强复合材料具有高度的各向异性。通常需要焊纤维增强复合材料具有高度的各向异性。通常需要焊接接头尽量保持这种各向异性。当连

27、接面平行于纤维接接头尽量保持这种各向异性。当连接面平行于纤维方向时，纤维增强复合材料的焊接实际上等于基体材方向时，纤维增强复合材料的焊接实际上等于基体材料的焊接；而当连接面与纤维方向不相平行时，则焊料的焊接；而当连接面与纤维方向不相平行时，则焊接接头中的纤维与纤维必须有一定量的搭接，见图接接头中的纤维与纤维必须有一定量的搭接，见图6.1.由于高断裂韧性陶瓷基复合材料增韧机制一般由于高断裂韧性陶瓷基复合材料增韧机制一般为纤维拔出机制。纤维基体界面的结合强度为纤维拔出机制。纤维基体界面的结合强度在很大程度决定了复合材料的性能。在很大程度决定了复合材料的性能。一般来说，弱结合较为理想。因此，焊接时不

28、一般来说，弱结合较为理想。因此，焊接时不得用过高的温度或过大的压力，以免造成纤维得用过高的温度或过大的压力，以免造成纤维基体界面结合程度的变化，防止复合材料性基体界面结合程度的变化，防止复合材料性能降低。能降低。6.2.4 陶瓷基复合材料与金属之间的焊接特点陶瓷基复合材料与金属之间的焊接特点出于陶瓷基材料与金属原子结构之间存在本质上出于陶瓷基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，的差别，加上陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，因此，无论是陶瓷基复合材料自身焊接还是与金因此，无论是陶瓷基复合材料自身焊接还是与金属之间的焊接都存在不少问题。属之间的焊接都存在不少问

29、题。陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数相差较大，通过加热方式焊接陶瓷复合材料与金相差较大，通过加热方式焊接陶瓷复合材料与金属时，接头区域会产生残余应力，削弱接头的力属时，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焊接接头的学：性能，残余应力较大时还会导致焊接接头的断裂破坏。陶瓷复合材料与金属焊接中的主要问断裂破坏。陶瓷复合材料与金属焊接中的主要问题如下。题如下。(1)陶瓷基复合材料与金属焊接过程中的热膨胀与热应力陶瓷基复合材料与金属焊接过程中的热膨胀与热应力 陶瓷基复合材料与金属的化学成分和物理性能有很大差陶瓷基复合材

30、料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。此外，陶瓷基复合材料别，特别是线膨胀系数差异很大。此外，陶瓷基复合材料的弹性模量也很高。在焊接加热和冷却过程中陶瓷基复合的弹性模量也很高。在焊接加热和冷却过程中陶瓷基复合材料、金属各自产生差异较大的膨胀和收缩，在接头的界材料、金属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，以致造成接头面附近产生较大的热应力，以致造成接头产生裂纹。一般是在焊接接头的陶瓷基复合材料一侧产生产生裂纹。一般是在焊接接头的陶瓷基复合材料一侧产生裂纹并引发断裂裂纹并引发断裂 l l 根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的

31、基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧根据所用的基体材料，可分为玻璃基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料等。l l l l 玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。玻璃基复合材料的优点是易于制作且增韧效果好。典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有典型的玻璃基复合材料有C Cf f石

32、英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、石英玻璃、Nicalon/AsNicalon/As复复复复合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的合材料等。玻璃基复合材料的致命缺点是由于玻璃相的存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转存在而容易产生高温蠕变，同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样

33、使用温度亦受到限制。化而发生析晶，使性能受损，这样使用温度亦受到限制。(2)陶瓷陶瓷基体与金属接头在界面间存在着陶瓷陶瓷基体与金属接头在界面间存在着l l原子结构能级的差异，陶瓷基体与金属之问是原子结构能级的差异，陶瓷基体与金属之问是通过过渡层通过过渡层(扩散层或反应层扩散层或反应层)而焊合的。两种而焊合的。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基体极大的影响。接头界面反应和结构是陶瓷基体与金属焊接研究中的重要课题。与金属焊接研究中的重要课题。l l 当集中加热时，尤其是用高能密度热源进行当集中加热时，尤其是用高

34、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，熔焊时，靠近接头的陶瓷一侧产生高应力区域，很容易在焊接过程或焊接后产生裂纹。很容易在焊接过程或焊接后产生裂纹。l l另一个减小应力的办法是采用金属中间层，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使用塑性材料或线膨胀系数接近陶瓷线l l膨胀系数的金属材料。塑性材料是通过金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用低线膨胀系数的金属材料做中间层则是将陶瓷基复合材料中的应力转移到中间层将陶瓷基复合材料中的应力转

35、移到中间层中。同时使用两种不同的金属中间层材料中。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以镍作为塑性金属，钨作为低线膨胀系数材料使用材料使用.l l 与陶瓷基复合材料焊接的金属或用做中间层的金与陶瓷基复合材料焊接的金属或用做中间层的金属主要有钢、镍、铜镍合金、钨、铜、袒、铌、属主要有钢、镍、铜镍合金、钨、铜、袒、铌、锆、钛、膨胀合合金等。除锆、钛、膨胀合合金等。除般要求外，对于这些般要求外，对于这些金属的主要要求是线膨胀系数与陶瓷基体相近，金属的主要要求是线膨胀系数与陶瓷基体相近，并且在构件制

36、造和工作过程中不发生同素异构转并且在构件制造和工作过程中不发生同素异构转变，以免引起线膨胀系数的突变，破坏陶瓷基复变，以免引起线膨胀系数的突变，破坏陶瓷基复合材料与金属的匹配关系而导致连接失败。合材料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基复合材料产生熔合是通常的熔焊方法使金属与陶瓷基复合材料产生熔合是很困难的。很困难的。用金属钎料钎焊陶瓷材料时，可以对陶瓷表面先进行用金属钎料钎焊陶瓷材料时，

37、可以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，位钎料与陶瓷之间有化学反应发个，加入活性元素，位钎料与陶瓷之间有化学反应发个，通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生化学吸附通过反应使陶瓷的表面分解形成新相，产生化学吸附机制。这样才机制。这样才“能形成结合牢固的陶瓷与金属结合界能形成结合牢固的陶瓷与金属结合界面面.l l选择陶瓷基复合材料焊接方法时需要考虑选择陶瓷基复合材料焊接方法时需要考虑的因素有：复合材料组分的类型；复合材的因素有：复合材料组分的类型；复合材料的制造方法及工艺；复合材料的使用环料的制造方法及工艺；复

38、合材料的使用环境条件。境条件。l l常用的焊接方法有粘接、胶接、钎焊、真常用的焊接方法有粘接、胶接、钎焊、真空扩散焊、电子束焊和激光焊。表空扩散焊、电子束焊和激光焊。表6-5给出给出陶瓷基复合材料焊接以及陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料焊接以及陶瓷基复合材料与金属焊接的常用方法。与金属焊接的常用方法。5.3 陶瓷基复合材料的焊接方法陶瓷基复合材料的焊接方法5.4 陶瓷基复合材料的钎焊陶瓷基复合材料的钎焊l l无论是陶瓷基复合材料自身的钎焊，还是无论是陶瓷基复合材料自身的钎焊，还是陶瓷基复合材料与金属之间的钎焊，其工陶瓷基复合材料与金属之间的钎焊，其工艺均比金属材料的钎焊复杂很多。艺均比金属材料的钎

39、焊复杂很多。l l目前，常用钎料有两大类：金属钎料和玻目前，常用钎料有两大类：金属钎料和玻璃钎料。利用金属钎料钎焊时通常称为金璃钎料。利用金属钎料钎焊时通常称为金属钎焊法，利用玻璃钎料钎焊时通常称为属钎焊法，利用玻璃钎料钎焊时通常称为玻璃钎焊法。玻璃钎焊法。l l541 金属钎焊方法金属钎焊方法金属钎焊方法广泛用于陶瓷基复合材料与金属材料金属钎焊方法广泛用于陶瓷基复合材料与金属材料金属钎焊方法广泛用于陶瓷基复合材料与金属材料金属钎焊方法广泛用于陶瓷基复合材料与金属材料的焊接，也可用于陶瓷基复合材料自身的焊接。钎的焊接，也可用于陶瓷基复合材料自身的焊接。钎的焊接，也可用于陶瓷基复合材料自身的焊接

40、。钎的焊接，也可用于陶瓷基复合材料自身的焊接。钎焊的主要障碍是，大多数金属都不润湿陶瓷表面。焊的主要障碍是，大多数金属都不润湿陶瓷表面。焊的主要障碍是，大多数金属都不润湿陶瓷表面。焊的主要障碍是，大多数金属都不润湿陶瓷表面。已经研究出以下几种方法来解决这个难题已经研究出以下几种方法来解决这个难题已经研究出以下几种方法来解决这个难题已经研究出以下几种方法来解决这个难题:陶瓷基复合材料表面金属化法陶瓷基复合材料表面金属化法陶瓷基复合材料表面金属化法陶瓷基复合材料表面金属化法(也称为两步法也称为两步法也称为两步法也称为两步法)使使使使陶瓷基体的表面金属化，例如，在陶瓷表面沉积陶瓷基体的表面金属化，例

41、如，在陶瓷表面沉积陶瓷基体的表面金属化，例如，在陶瓷表面沉积陶瓷基体的表面金属化，例如，在陶瓷表面沉积一薄层金属的一薄层金属的一薄层金属的一薄层金属的“鉬鉬鉬鉬锰工艺锰工艺锰工艺锰工艺”和和和和“活性基底工艺活性基底工艺活性基底工艺活性基底工艺”。因为熔化态的钎焊料实际上是与陶瓷表面的金。因为熔化态的钎焊料实际上是与陶瓷表面的金。因为熔化态的钎焊料实际上是与陶瓷表面的金。因为熔化态的钎焊料实际上是与陶瓷表面的金属接触，连接是在金属表面层或活性基底之间进行属接触，连接是在金属表面层或活性基底之间进行属接触，连接是在金属表面层或活性基底之间进行属接触，连接是在金属表面层或活性基底之间进行的，所以这

42、些工艺方法实现起来相对较容易。的，所以这些工艺方法实现起来相对较容易。的，所以这些工艺方法实现起来相对较容易。的，所以这些工艺方法实现起来相对较容易。l活性金属法活性金属法(也称为一步法也称为一步法)在金属钎料中加入在金属钎料中加入活性金属活性金属(例如例如Ti)。l在钎焊过程中，在钎焊过程中，Ti会熔化并析出于陶瓷表面，与会熔化并析出于陶瓷表面，与陶瓷表面发生反应形成可润湿的表面。陶瓷表面发生反应形成可润湿的表面。近年来陶近年来陶瓷基复合材料的直接钎焊成为同内外研究的热门。瓷基复合材料的直接钎焊成为同内外研究的热门。直接钎焊技术可使陶瓷基复合材料构件的制造工直接钎焊技术可使陶瓷基复合材料构件

43、的制造工艺变得简单，而且能满足陶瓷基复合材料高温状艺变得简单，而且能满足陶瓷基复合材料高温状态使用的要求。态使用的要求。l直接钎焊陶瓷基复合材料的关键是使用活性钎料，直接钎焊陶瓷基复合材料的关键是使用活性钎料，在钎料能够润湿陶瓷基复合材料的前提下，还要在钎料能够润湿陶瓷基复合材料的前提下，还要考虑高温钎焊时陶瓷基复合材料与金属热膨胀差考虑高温钎焊时陶瓷基复合材料与金属热膨胀差异会引起的裂纹，以及夹具定位等问题。异会引起的裂纹，以及夹具定位等问题。542 玻璃钎焊法玻璃钎焊法 陶瓷基复合材料的金属化钎焊法显然可以得到较高陶瓷基复合材料的金属化钎焊法显然可以得到较高陶瓷基复合材料的金属化钎焊法显然

44、可以得到较高陶瓷基复合材料的金属化钎焊法显然可以得到较高强度的接头，们难以满足抗碱金属腐蚀和抗热性的要强度的接头，们难以满足抗碱金属腐蚀和抗热性的要强度的接头，们难以满足抗碱金属腐蚀和抗热性的要强度的接头，们难以满足抗碱金属腐蚀和抗热性的要求。而氧化物玻璃钎料可很好地解决这些问题。氧化求。而氧化物玻璃钎料可很好地解决这些问题。氧化求。而氧化物玻璃钎料可很好地解决这些问题。氧化求。而氧化物玻璃钎料可很好地解决这些问题。氧化物玻璃钎料对于陶瓷基复合材料具有很好的润湿性物玻璃钎料对于陶瓷基复合材料具有很好的润湿性物玻璃钎料对于陶瓷基复合材料具有很好的润湿性物玻璃钎料对于陶瓷基复合材料具有很好的润湿性

45、，焊接成本低，工艺简单，而且可以一次将金属与，焊接成本低，工艺简单，而且可以一次将金属与，焊接成本低，工艺简单，而且可以一次将金属与，焊接成本低，工艺简单，而且可以一次将金属与陶瓷基复合材料焊接起来。由氧化铝和氮化硅为基体陶瓷基复合材料焊接起来。由氧化铝和氮化硅为基体陶瓷基复合材料焊接起来。由氧化铝和氮化硅为基体陶瓷基复合材料焊接起来。由氧化铝和氮化硅为基体的氧化物和非氧化物增强的陶瓷基复合材料都可以利的氧化物和非氧化物增强的陶瓷基复合材料都可以利的氧化物和非氧化物增强的陶瓷基复合材料都可以利的氧化物和非氧化物增强的陶瓷基复合材料都可以利用这种钎料进行连接。用这种钎料进行连接。用这种钎料进行连

46、接。用这种钎料进行连接。5.5 陶瓷基复合材料的扩散焊陶瓷基复合材料的扩散焊扩散焊过程与陶瓷的固相烧结过程完全相同，扩散焊过程与陶瓷的固相烧结过程完全相同，主要包括塑性变形、扩散和蠕变，以及再结晶主要包括塑性变形、扩散和蠕变，以及再结晶和晶粒长大等。因此这种方和晶粒长大等。因此这种方 法非常适合于陶瓷法非常适合于陶瓷基复合材料自身的连接基复合材料自身的连接 以及陶瓷基复合材料与以及陶瓷基复合材料与金属之间的连接。金属之间的连接。陶瓷基复合材料扩散焊的方法主要有：陶瓷基复合材料扩散焊的方法主要有：同种陶瓷基复合材料的直接连接同种陶瓷基复合材料的直接连接用一薄的中间层连接同种陶瓷基复合材料用一薄的

47、中间层连接同种陶瓷基复合材料一种陶瓷基复合材料与其他材料直接连接一种陶瓷基复合材料与其他材料直接连接用一薄的中间层连接异种材料。用一薄的中间层连接异种材料。陶瓷基复合材料扩散焊的主要优点是：陶瓷基复合材料扩散焊的主要优点是：连接强度高，尺寸容易控制，适合连接异种连接强度高，尺寸容易控制，适合连接异种材料。主要不足是：扩散温度高、时间长，材料。主要不足是：扩散温度高、时间长，而设备昂贵、成本高，试件尺寸和形状受到而设备昂贵、成本高，试件尺寸和形状受到限制。限制。l l5.5.1 加中间层的扩散焊加中间层的扩散焊l l 影响扩散焊接头质量的焊接参数主要有影响扩散焊接头质量的焊接参数主要有焊接温度、

48、保温时间、焊接压力、环境介质、焊接温度、保温时间、焊接压力、环境介质、连接表面的状态、中间层以及被连接件之间连接表面的状态、中间层以及被连接件之间的相容性。的相容性。l l (1)加热温度加热温度l l 加热温度对扩散过程的影响最显著，连加热温度对扩散过程的影响最显著，连接金属与陶瓷基复合材料时温度一般达到金接金属与陶瓷基复合材料时温度一般达到金属熔点的属熔点的90以上。固相扩散焊时，元素之以上。固相扩散焊时，元素之间相互扩散引起的化学反应，可以形成足够间相互扩散引起的化学反应，可以形成足够的界面结合。的界面结合。(2)保温时间保温时间 在一定的范围内，保温时间增加，接头强度在一定的范围内，保

49、温时间增加，接头强度增大。但是，当时间过长时，接头强度又会下增大。但是，当时间过长时，接头强度又会下降。其主要原冈是保温时间影响反应产物和反降。其主要原冈是保温时间影响反应产物和反应层的厚度。应层的厚度。(3)压力压力 扩散焊过程中必须施加一定的压力。这主扩散焊过程中必须施加一定的压力。这主要是为了促使接触部位产生塑性变形，破坏要是为了促使接触部位产生塑性变形，破坏表面氧化膜克服表面不平整并增加表面接表面氧化膜克服表面不平整并增加表面接触，为原子扩散提供有利的条件。为了防止触，为原子扩散提供有利的条件。为了防止焊件发生大的变形，扩散焊时所加的压力一焊件发生大的变形，扩散焊时所加的压力一般较小般

50、较小(不大于不大于100MPa)，这一压力范围通常，这一压力范围通常足以减小表面不平整和破坏表面氧化膜，增足以减小表面不平整和破坏表面氧化膜，增加表面接触。加表面接触。(4)界面状态及化学反应界面状态及化学反应 表面粗糙度对扩散焊接头强度的影响十分表面粗糙度对扩散焊接头强度的影响十分显著，表面粗糙会在陶瓷基复合材料中产生显著，表面粗糙会在陶瓷基复合材料中产生局部应力集中而容易引起脆性破坏。用固相局部应力集中而容易引起脆性破坏。用固相扩散焊焊接陶瓷基复合材料与金属时，陶瓷扩散焊焊接陶瓷基复合材料与金属时，陶瓷基体与金属界面会发生反应形成化合物所基体与金属界面会发生反应形成化合物所形成的化合物种类