陶瓷基复合材料焊接技术研究进展(2).pdf
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《陶瓷基复合材料焊接技术研究进展(2).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《陶瓷基复合材料焊接技术研究进展(2).pdf(4页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、4 专题综述 焊接技术 第 3 6卷第 2期 2 0 0 r 7 年 4月 文章编号:1 0 0 2 0 2 5 X(2 0 0 7)0 2-0 0 0 4-4)4 陶 瓷 基 复 合 材 料 焊 接 技 术 研 究 进 展 李 辉,陈俊华,陈广立,耿浩然,陈茂爱(1 济南大学 材料科学与工程学 院,山东 济 南 2 5 0 0 2 2;2 山东大学 材料科学与工程学 院,山东 济南 2 5 0 0 6 1)摘耍:对陶瓷基复合材料的焊接技 术作 了总体概 述。系统总结了陶瓷基复合材料的可用焊接方法、工艺、焊接过程 中易出现 的问题及 对策 并对陶瓷基复合材料及其焊接技术的发展 前景作 了展望。
2、关键词:陶瓷基复合材料;焊接;抗剪强度 中图分类号:T B 3 3;1V 4 4 文献标识码:B 1 前言 陶瓷基 复合材料(C MC)是通过在陶瓷基体中引入第二相 增强材料,以实现增强、增 韧的多相材料,又称为多相复合 陶 瓷 或复相陶瓷。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】-3 。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C 石英 玻璃、N i c a l o n L A S 复合材 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 向晶态转化而 发
3、生析 晶,使性能 受 损。这样使用温度亦受到限制。氧化物基陶瓷 的基 体主要有:M s o,A 1 2 0 3,S i O 2,Z r O 2 以 及莫来石等。这些材料均不宜在高应力与高温环境 中使用,因 为A 1 203 和Z i O 2 的抗热振性 较差;S i O 2 易发生 高温蠕变 和相变;奠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 1 2 0 0。非氧化物陶瓷如S i 3 N ,S i C 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 能而受到重视阿。收疆 日期:2 0(O-1 1 1 3:修 回日期:2 0 0 7-0 1 2
4、 6 基金项目:山东省济南市科技发展计划项 目(0 6 1 0 4 8 2)2 陶瓷基复合材料焊接的一般特点 陶瓷基复合材料焊接具有 陶瓷焊接 的一些特点,例如,陶 瓷熔点高且 高温分解,不能用熔焊方法进行焊接;大多数 陶瓷 不导电,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 以利用压焊进行焊接;化学惰性大、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 构带来的一些问题。例如,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(纤维、晶须及颗粒)性能 下降。因此焊接时间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法的选择及
5、焊接难易程度。例 如,陶瓷粉末成型工艺 可得到2 种明显不同 的陶瓷状态,即未 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,这种键合是很弱 的。未烧结态键合力弱 的特点有 利于陶瓷基复合材料的二次加工,因此,未烧结 态陶瓷基复合 材料的焊接比烧结 陬 密化)态的要容易。3陶瓷基复合材料的焊接方法 3 1 陶瓷基复合材料 的钎焊 无论是陶瓷基复合材料 自身的钎焊,还是陶瓷基 复合材料 6】李午 申 我国新型钢铁材料及焊接性 与焊接材料的发展【J】,机 械 工 人,2 0 o 5,4 9(8):2 o-2 5 【7】李春范,赵润娴 回顾与展望2 l世纪中国焊接材料(下)叨
6、焊 接,2 0 0 1,4 5(2):6-9、【8】尹士科,吴树雄 日本关于 自动焊接用 实心焊丝 的新 思路 非 镀铜M AG 焊接用实心焊丝 的特征叨 焊接,2 0 0 2,4 6(5)3 4 3 6 9】赵 钰,杨 国华,张鹏 非镀铜碳钢焊丝的试验研究及生产应用 叨 机械工人,2 0 0 5。4 9(8):5 2-5 3 l o 1周泰隆 采用 最先 进的表面涂层技术突破无镀 铜焊丝的技术瓶颈 叨机械工人,2 0 0 5,4 9(1):3 9-4 0 【l 1】袁玉兰,王惜 宝,朱冬妹,等 活化C O 2 气体保护焊 的研究【J】焊管,2 0 0 6,2 9(1):3 5 3 8 【l
7、2】史学芳,刘慧英,表面活性剂在焊丝 生产中 的应用及机 理【J】表 面 活性剂工业,l 9 9 6,2 3(1):3 4 3 6 【l 3】李存剑,赵士谦,活化焊丝电弧形态及熔 滴过渡 的研究【J】焊接技 术,1 9 9 7,2 6(4):6-7 【1 4 Wa n gY,S h i Q and T saH LMo d e l i n g o f t h e e ff e c t s of s u rf a c e-a c t i v e ele me n t s o n fl o w p a t t e r n and w e l d p e n e t r a t i o n J Me
8、t all u r g i c al and Ma t e r i a l sT r a n s a c ti o n s B,2 0 o 1,(2):1 4 5-1 6 1 【l 5】粱治齐,宗惠娟,李金华 功能性表 面活性剂(第2 版)【M】北京:中国轻工业 出版社。2 0 o 2 1 3 【1 6】I w k el J J,T ana k a M and U s h i o MMech a n i s ms s#v i i n c r e a s e d w e l d d e p th d u et O afl u x J J P l a y s D:A p p 1 P la ys 2
9、 0 0 5,3 8:3 4 3 8 3 4 45 维普资讯 http:/ We l d i n g T e c h n o l o g y V o 1 3 6 N o 2 A p r 2 0 0 7 专题综述 5 与金属之间的钎焊。其工艺均 比金属材料 的钎焊复杂得多。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 钎焊时通常称为金属钎焊法,利用玻璃钎料钎焊时通常称为玻 璃钎焊法。3,1 1 金属钎焊 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。钎焊 的主要障碍是 大多数金属都不润湿陶瓷表面。目前,陶瓷基复合材料表面金 属
10、化法和活性金属法能有效地解决这个难题。表面金属化法使陶瓷基体 的表 面金属化,例 如,在陶瓷表 面沉积一薄层金属 的“钼一 锰工艺”和“活性基 底工艺”。因 为熔化态的钎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 的。所 以这些工艺 方法实现起来 相对较容易。陶瓷基复合材料表面的金属化不仅 可以用于改善 非活性钎料对陶瓷基复合材料的润湿性。还可以在高温钎焊时 保护 陶瓷基复合材料不发生分解产生孔洞。活性金属法是在 金属钎料 中加 入活性金属(例如T i),利 用活性元素在 陶瓷 中的机械渗透、扩散及反应来改变 陶瓷表面 的状态。从而增加陶瓷与金属的相容性。在钎焊过程
11、中,T i 会 熔化,并与陶瓷表 面发生反应,形成可润湿 的表面。活性元素 对润湿性影 响的研究 很多6,7 1 大量 研究证实 活性元 素加 入量 并不是越 多越好,当活性 元素含量 低于某个 值时,润 湿性很 差,之后随活性元 素含量的增加润湿性增加,润湿性达到最大 值后 不再随活性元素含量 的增加而发生变化,同时过量的活性 元素还会使接 头性能 恶化。邹 家生【8】等 人研究 了S i 3 N 陶瓷与 金属 的 焊接,以C u N i T i 为钎 料,研究发 现,随温 度和钎料 中T i 含量的上升,C u N i T i 钎料 在S i 3 N 陶瓷上的浸润角减 小,而随钎料中N i
12、 含量 的增加,钎料浸润性变差。图 1 所示 为A g C u 钎 料 中T j 的含量对润 湿角 的影响。A g C u 一 2 T i 钎料对S i C 陶瓷 的润 湿机理 如图2 所示。T i 与S i C 发生作 用,生成T i C与T i s S i,组成 的反应层,而该反应层与液 态A g-C u 之间具有很小的界 面能。温度,ml 擘-oI钎 料中Ti 的含量对 润沮 角的影响 u o 两 国 c O sc a)未添加B e O助烧剂时(b)添加B e O助烧剂时 图2 g _ 0 I-2 Ti 钎料对S I C陶瓷的润沮机理 对于添J ll l B e O 助烧剂的S i C
13、陶瓷基体,钎焊材料 虽然对它也 具有较好 的润湿性,但接头强度却有明显的下降,原因是A g C u 进入了T i C 与S i C 界面处,生成了A g 2 s i 和T i 5 s i 等硅化物,如图 2 b 所示,这些硅化物的强度很低,致使界面强度显著下降。B R i e e a r d i 等人【9】研究 了以S i 一 2 5 T i 和S i 一 2 9 C r 作为钎料 焊接 S i C 和S i C S i C陶瓷基复合材料,分 别在1 3 3 0和 1 3 0 5下进 行试验,得到了较好的焊接件,经过S E M等方法观察,发现焊 缝接 口形成 了化 学键,同时测得焊 接接头 的
14、平均抗剪 强度为 7 O 8 0 MP a,且受到焊接件表面粗糙度 的影响。近 年来 陶瓷 基复合材 料的直接钎 焊成 为国 内外研 究的热 点。直接钎焊技术可使 陶瓷基复合材料构件 的制造工艺变得 简 单,而且能满足陶瓷基 复合材料高温状态使用 的要求。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,还要考虑高温钎焊时 陶瓷基复合材料 与金属热膨胀差异而引起 的裂纹,以及夹具定位等问题。3 1 2 玻璃钎焊 陶瓷基复合材料的金属化钎焊法虽然可以得到较高强度 的 接头,但难 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。该
15、钎料对于陶瓷基复合材料具 有很好的润 湿性,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。常用 的玻璃 钎 料 有:A l 2 0 3 一 C a O B a O S r O,A I 2 0 3 一 C a O-B a O-S r O-Mg O Y2 0 3,A l 2 0 3-C a O-M g O-S i O 2 及A l 2 0 3-M n O-S i O 几种。利用玻璃钎料钎焊陶瓷基复合材料活性金属的工艺 流程图如图3 所示。配制钎料+焙制 +铜浆 I +涂浆 复合材
16、料一 清洗一 素烧_ J 金 属 件一清洗 一 装配 I 成 品件 一检验 一钎焊 图3 活性陶瓷基复合材料钎焊连接 1-艺藏程图 M F e r mr i s 和M S a l v o 等人阴 用w(C a O)4 9 7 7+w(A I 2 0 3)5 0 2 3 的混合粉末作为钎料焊接S i C S i C,钎焊温度为1 5 0 0,在A r 维普资讯 http:/ 6 专题综述 焊接技术 第 3 6卷第 2期 2 0 0 7年 4月 气保护下焊接1 h。形成了无定形的3 C a O A J 3 和1 2 C a O 7 A I O 3 晶 相,同时测得钎焊接头的平均抗剪强度为2 8 M
17、e a。3 2 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,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 法非常适合 于陶瓷基复合材料 自身的连接以及 陶瓷基复合材料 与金属之间的连接。扩散焊的主要优点在于:连接强度高,尺 寸容易控制,适合 于连接异种 材料。不 足之处在 于扩散温 度 高、时间长,且设备 昂贵、成本 高,试件 尺寸和 形状受到 限 制。P H u s s a i n 等【I l】对S i M o n 陶瓷 与铁 素体和奥 氏体 不锈钢进 行 直接扩散 焊接。测试分 析表明:由于材 料之 间的相互反应 和 扩散,S i M o
18、n 与铁 素体 钢之间形成了韧性很好的界面,从 而缓 和了S i M o n 与铁素体钢之间的热性 能不 匹配。而S i M o n 陶瓷与奥 氏体不锈 钢之间没有形成韧性层。因而S i M o n 与铁素体不锈 钢 的连接 比奥氏体不锈钢成功得多。3 _ 2 1 加 中间层的扩散焊 扩散焊时采用中间层是为了降低扩散温度。减小压力和减 少保温时间,以促进扩散和去除杂质元素,同时也为了降低界 面产生的残余应力。中间层可 以以不 同的形式加 入,通常 以粉 末、箔状或通过金属化加入。研究者用N b 作中间层扩散焊S i C S U S 3 0 4,保温时间过长后 出现 了强度降低、线膨胀 系数 与
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 陶瓷 复合材料 焊接 技术研究 进展
![提示](https://www.taowenge.com/images/bang_tan.gif)
限制150内