2.5.1 金屬與陶瓷材料擴散焊中的中間層

由于陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕及特殊的電化學性能，故其近年來得到了飛快的發展，特別是一些具有特殊性能的工程陶瓷，已經在生產中得到應用。但是，常常遇到把陶瓷本身或與其他材料連接在一起的問題。近年來，陶瓷材料連接技術已經成為國際焊接界研究的熱門課題。采用中間層是解決陶瓷材料焊接問題的有效方法。

1.陶瓷材料焊接中的中間層

（1）陶瓷材料焊接中中間層的作用

1）改善焊接性。在擴散連接（或釬焊）過程中，很多熔化的金屬在陶瓷表面不能潤濕。因此，在陶瓷連接過程中，往往在陶瓷表面用物理或化學的方法涂上一層金屬，這也稱為陶瓷表面的金屬化，而后再進行陶瓷與其他金屬的連接。實際上就把陶瓷與陶瓷或陶瓷與其他金屬的連接變成了金屬之間的連接，這也是過去常用來連接陶瓷的方法。但是，這種方法有一點不足，即接頭的結合強度不太高，主要用于密封的焊縫。對于結構陶瓷，如果連接界面要承受較高的應力，擴散連接時必須選擇一些活性金屬作為中間層，或讓中間層材料中含有一些活性元素，以改善和促進金屬在陶瓷表面的潤濕過程。

2）降低內應力。金屬與陶瓷材料連接時，由于陶瓷與金屬線脹系數不同，在擴散連接或使用過程中，加熱和冷卻必然產生熱應力，容易在接頭處由于殘余內應力的作用而破壞。因此，常加入中間層緩和這種內應力，通過韌性好的中間層變形吸收這種內應力。選擇連接材料時，應當使兩種連接材料的線脹系數差小于10%。

（2）陶瓷材料連接中間層的選擇 有以下幾個原則：

1）用活性材料或這種材料生成的能與陶瓷進行反應的物質，改善潤濕和結合情況。

2）用塑性較好的金屬做中間層，以緩解接頭內應力。

3）通過在冷卻過程中發生相變，使中間層體積膨脹或縮小，來緩和接頭的內應力。

4）用作中間層或連接的材料必須有良好的真空密封性，在很薄的情況下也不能泄漏。

5）必須有較好的加工性能。

實際上很難找到完全滿足上述要求的材料，有時為了滿足綜合性能的要求，可采用兩層或三層不同金屬組合的中間過渡層。

常用的中間層合金材料有不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）、可伐合金等，用作中間層的純金屬主要有銅、鎳、鉭、鈷、鈦、鋯、鉬及鎢等。

2.陶瓷材料焊接中中間層的應用

（1）用活性金屬做中間層的連接 這種方法的原理是活性金屬在高溫下與陶瓷材料中的結晶相發生化學反應，生成新的氧化物、碳化物或氮化物，使陶瓷與反應生成物層形成可靠的結合，最后形成材料間的可靠連接。

常用的活性金屬主要有鋁、鈦、鋯、鈮及鉿等，這些都是很強的氧化物、碳化物及氮化物形成元素，它們可以與氧化物、碳化物、氮化物陶瓷反應，從而改善金屬對連接界面的潤濕、擴散和連接性能。活性金屬與陶瓷相的典型反應如下：

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

以這種反應為基礎，可以用活性金屬做中間層連接陶瓷。表2-31列出了一些金屬與陶瓷連接的試驗結果。鈦、鋯金屬也可以與其他陶瓷很好地結合。

用鈦箔做中間層連接Y₂O₃3%（質量分數）-ZrO₂陶瓷和碳素鋼的接頭性能與結合條件的關系如圖2-20所示。彎曲破壞發生在ZrO₂與鈦的界面。

用鋁做中間層連接陶瓷，不同擴散焊接溫度條件下，接頭的界面結構和抗彎強度與試驗溫度的關系如圖2-21所示。由圖中可以看出，低溫連接時，由于在接頭界面殘留有鋁，因此接頭的抗彎強度隨著溫度的升高而急劇下降，經過1970K處理的接頭抗彎強度隨著試驗溫度的升高而增加（見圖2-21b），這是由于殘留的鋁更加致密，而使AlN與AlSi聚合帶更加致密。

用活性金屬做中間層，活性金屬與陶瓷進行化學反應而形成連接帶，通過連接帶連接陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬。

（2）用氧化物組成復合鹽作為中間層 這種連接形式是通過在金屬表面生成一定的氧化物，而后在一定溫度下，使帶有氧化物的連接表面與陶瓷連接，造成金屬表面氧化物與陶瓷中的氧化物發生共晶反應，組成新的復合鹽，從而達到連接的目的。

在用銅做中間層連接陶瓷與石英玻璃時，就有這種反應。如用銅做中間層連接Al₂O₃，焊前通過氧化銅變成低價的氧化亞銅，而后與Al₂O₃反應生成CuAl₂O₄。

Cu₂O與基體結合較好，同時它的線脹系數與石英玻璃相近。因此，也可以用這種方法連接石英玻璃。

這種方法的加工工藝是在真空中把銅加熱到950℃，保溫3min，而后冷卻。當溫度降至300～400℃之間時通入空氣，在銅的表面生成玫瑰色的致密氧化膜。為了避免Cu₂O在真空中分解升華，擴散連接應在1.7×10-2～1.3×10-1Pa較低的真空度下進行，生成的CuAl₂O₄可以連接銅和Al₂O₃，但銅表面的氧化膜不能太厚，氧化膜的厚度應控制在3～10μm。圖2-22及圖2-23給出了銅與Al₂O₃連接時，銅表面氧化膜厚度與接頭抗拉強度和斷裂韌度的關系。

由圖2-22和圖2-23可以看出，銅表面的氧化膜厚度必須控制在適當的范圍。當銅表面的Cu₂O膜太薄時，由于生成共晶太少，不足以改善對Al₂O₃表面的潤濕性，連接不良；而當Cu₂O膜太厚時，則由于生成的CuAl₂O₄太厚太脆，使接頭性能變差。

（3）用復合中間層的擴散焊 可以用線脹系數相近的材料作為中間層，或從接頭結構設計、連接工藝中想辦法加以解決，以得到滿足工程要求的優質接頭。其中一個有效的方法就是用復合中間層來保證接頭性能。

在Al₂O₃與黃銅之間加入鉬、金屬陶瓷、鈦及鈮做中間層，用有限元計算，溫度在700～725℃之間。由于材料線脹系數的差異，在接頭處產生的內應力大小與中間層厚度的關系如圖2-24所示。表2-32給出了幾種物質的線脹系數。

由圖2-24及表2-32中的數據可以看出：由于Al₂O₃與Nb的線脹系數相同，因此用Nb做中間層接頭內應力最小。但用Nb做中間層與鋼連接時，Nb可以與鋼中的碳形成脆性的碳化物（NbC），使接頭性能變差。因此，又加入Mo來防止Nb與鋼的直接作用，則形成Al₂O₃/Nb/Mo/鋼接頭。鉬層的厚度也直接影響接頭內應力的大小，鉬層厚度對該接頭內應力的影響如圖2-25所示。

當然也可以用Ti代替Nb進行Al₂O₃與SiO₂陶瓷和不銹鋼的連接，再加Ni做復合中間層也得到類似的結果。