新型材料的焊接
- 2016-03-14 14:25:00
- sawchina 原創(chuàng)
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金屬基復(fù)合材料是60年代根據(jù)航空航天技術(shù)的需要發(fā)展起來(lái)的一類重要的新型工程材料。其中纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，如從B、C、SiC纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度、高比剛度和高溫性能好等特性。因此，采用這種材料不僅提高了性能，而且大大減輕了重量。但由于其制造工藝復(fù)雜，成本昂貴，使用受到了很大的限制。因此，從簡(jiǎn)化制造工藝，降低成本出發(fā)，又開(kāi)發(fā)了另一類顆?；蚨汤w維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，如用SiC顆粒（或晶須、短纖維）增強(qiáng)的鋁塑復(fù)合材料。它具有耐磨、耐熱、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小等特性，常用作耐磨、耐熱和耐蝕等零件。它不僅用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，而且在民用工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、剎車器和自行車零部件等。
由于復(fù)合材料是由成分、結(jié)構(gòu)和性能相差很大的金屬和非金屬材料復(fù)合而成，通常它們之間的物理、化學(xué)相容性較差，所以在其帛造過(guò)程中需采取特殊的復(fù)雜工藝。這給隨后的加工帶來(lái)了很大的困難。焊接就是難題之一。雖然從60年代金屬基復(fù)合材料問(wèn)世后，國(guó)外已成功地解決了航天飛機(jī)中纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的焊接問(wèn)題。但在如何簡(jiǎn)化工藝、提高效率、降低成本和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等方面仍有待進(jìn)一步研究，而我國(guó)在該領(lǐng)域尚處于起步階段。
2. 技術(shù)關(guān)鍵
金屬基復(fù)合材料的基體是一些塑性、韌性好的金屬，而增強(qiáng)相往往是一些高強(qiáng)度、高模量、主熔點(diǎn)、低密度和低熱膨脹系數(shù)的非金屬纖維或顆粒。所以焊接這類材料時(shí)，除了要解決金屬基體的結(jié)合外，還要涉及到金屬與非金屬的結(jié)合，有時(shí)甚至?xí)龅椒墙饘僦g的結(jié)合。這這種情況下，關(guān)鍵是非金屬增強(qiáng)相在焊接過(guò)程中的行為和影響。這類材料焊接時(shí)的關(guān)鍵可歸納為：
1）從化學(xué)相容性考慮，復(fù)合材料中金屬基體和增強(qiáng)相之間，在較大的溫度范圍內(nèi)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，焊接時(shí)加熱到一定溫度后它們就會(huì)反應(yīng)。決定其反應(yīng)可能性和激烈程度的內(nèi)因是二者的化學(xué)相容性，其外因溫度。例如B/Al復(fù)合材料，加熱到700K左右就能反應(yīng)，生成AlB2反應(yīng)層，使界面強(qiáng)度降低。C/Al復(fù)合材料，則加熱到850K左右時(shí)反應(yīng)生成Al4C3反應(yīng)層，使界面強(qiáng)度降低。SiC/Al復(fù)合材料在固態(tài)下不發(fā)生反應(yīng)，但在液態(tài)Al中發(fā)生反應(yīng),生成Al4C3脆性針狀組織，它在含水環(huán)境下能與水反應(yīng)放出CH4氣體，引起接頭低應(yīng)力破壞。
因此，避免和抑制焊接時(shí)基體金屬和增強(qiáng)相之間的反應(yīng)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，可從冶金和工藝兩方面著手解決。從冶金方面，可加入一些活性比基體金屬更強(qiáng)的元素與增強(qiáng)相反應(yīng)，生成無(wú)害的物質(zhì)。例如加Ti可取代Al與SiC反應(yīng)，不僅避免了有害化合物Al4C3的產(chǎn)生，而且生成的TiC還能起強(qiáng)化相的作用。從工藝上可以控制加熱溫度和時(shí)間來(lái)避免或限制反應(yīng)的產(chǎn)生。例如SiC/Al復(fù)合材料用固態(tài)焊接就能避免反應(yīng)的產(chǎn)生；熔化焊時(shí)需采用低的輸入來(lái)限制反應(yīng)。
2）從物理相容性考慮，當(dāng)基體與增強(qiáng)相的熔點(diǎn)相差較大時(shí)，熔池中存在大量未熔增強(qiáng)相而使其流動(dòng)性變差。這將導(dǎo)致氣孔、未焊透和未熔合等缺陷的產(chǎn)生；另外，在熔池凝固過(guò)程中，未熔增強(qiáng)相質(zhì)點(diǎn)在凝固前沿集中偏聚，破壞了原有分布特點(diǎn)而使性能惡化。
解決該問(wèn)題的冶金措施是采用流動(dòng)性好的填充金屬，并采取工藝措施，減少?gòu)?fù)合材料的熔化，如加大坡口，采用熱輸入低的TIG焊等。
3）當(dāng)固態(tài)增強(qiáng)相不能被液態(tài)金屬潤(rùn)濕時(shí)，焊縫中會(huì)產(chǎn)生結(jié)合不良的缺陷，這可選用潤(rùn)濕性好的填充金屬來(lái)解決。
4）當(dāng)焊接過(guò)程中加壓過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生纖維的擠壓和破壞，如摩擦焊和電阻焊。
3．幾種焊接方法的比較
基于前面的分析，固態(tài)焊接和釬焊明顯優(yōu)于熔化焊。首先，它避免了復(fù)合材料的熔化；其次，還可將焊接溫度控制在基體與增強(qiáng)相不發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)。但它們的缺點(diǎn)是接頭型式的局限性較大，而且工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率較低，尤其是擴(kuò)散焊。對(duì)固相焊中的摩擦焊來(lái)說(shuō)，界面溫度雖很高，但時(shí)間很短，所以不會(huì)影響接頭性能。但因?yàn)槟Σ梁附邮┘雍艽蟮膲毫Γ瑫?huì)損傷纖維、故不適于焊接纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。這一現(xiàn)象在電阻焊時(shí)同樣存在。采用軟釬焊時(shí)，溫度可以很低，但接頭強(qiáng)度也低。用熔化焊焊接金屬基復(fù)合材料時(shí)，雖然存在很多問(wèn)題。但由于其高效、簡(jiǎn)便而具有很大的吸引力，因此并未放棄對(duì)它的研究。填絲TIG焊在一定條件下已獲得應(yīng)用，如焊接Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的自行車架。從盡量減小熔化區(qū)和熱壓響區(qū)出發(fā)，似乎高能束激光焊對(duì)焊接復(fù)合材料很有利。但由于其能量密度很高，熔池局部溫度很高，并由于增強(qiáng)相對(duì)激光的吸收率高而導(dǎo)致增強(qiáng)相過(guò)熱、甚至熔化，從而使反應(yīng)更為激烈。采用脈沖激光焊可有所改善，但并不能完全抑制反應(yīng)的進(jìn)行。
4. 發(fā)展前景
金屬基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能而具有廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)在主要的問(wèn)題仍然是成本高和加工困難。其中焊接問(wèn)題不解決就很難在結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用。因此，焊接將成為金屬基復(fù)合材料今后擴(kuò)大應(yīng)用中的關(guān)鍵。雖然固態(tài)焊接和釬焊較為成功，但由于它們的局限性而無(wú)法滿足金屬基復(fù)合材料大規(guī)模發(fā)展的需要。相反，生產(chǎn)率高，工藝較為簡(jiǎn)便的熔化焊由于其冶金問(wèn)題而難于得到滿意的結(jié)果。進(jìn)一步發(fā)展焊接工藝和焊接材料仍然是一個(gè)艱巨而又重要的任務(wù)。開(kāi)發(fā)流動(dòng)性好，潤(rùn)濕性好，能抑制不利的冶金反應(yīng)，強(qiáng)化焊縫的復(fù)合專用填充材料其中包括特殊釬料是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。在工藝方面從降低焊接溫度，提高接頭結(jié)合強(qiáng)度出發(fā)應(yīng)研究過(guò)渡液相擴(kuò)散焊和共晶擴(kuò)散釬焊等新工藝；從提高生產(chǎn)率，降低成本出發(fā)應(yīng)該進(jìn)一步研究能嚴(yán)格控制熱輸入和母材熔化量的熔化焊工藝，如脈沖氬弧焊和脈沖激光焊以及熔化量很少的加壓焊等。
2．陶瓷的焊接
1. 發(fā)展背景
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷的組成、性能、制造工藝和應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)生了根本性的變化，從傳統(tǒng)的生活用陶瓷發(fā)展成為具有特殊性能的功能陶瓷和高性能的工程陶瓷，在電子信息技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用；同時(shí)由于其獨(dú)特的高溫性能、耐磨和耐腐蝕等性能而使其成為發(fā)展陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、磁流體發(fā)電及核反應(yīng)裝置等高科技產(chǎn)品的重要材料，但由于其嚴(yán)重的脆性而使其無(wú)法做成復(fù)雜的和承受沖擊載荷的零件。因此，必須采取連接技術(shù)來(lái)制造復(fù)雜的陶瓷件以及陶瓷和金屬的復(fù)合件。這就涉及到陶瓷與陶瓷以及陶瓷與金屬的焊接問(wèn)題。早在本世紀(jì)30年代，在電子管的制造中已成功地采用了陶瓷-金屬的封接技術(shù)，這實(shí)際上應(yīng)是一種用密封管子的釬焊。但它以達(dá)到密封為主要目的，因此該技術(shù)并不一定能滿足工程中受力要求同的陶瓷與金屬?gòu)?fù)合件的焊接。近二十多年來(lái)隨著工程陶瓷的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如汽車工業(yè)中陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)，大大地推動(dòng)了陶瓷焊接技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)在50年代末開(kāi)始研究電子管制造中的陶瓷-金屬封接技術(shù)，但作為工程上應(yīng)用的陶瓷受力件的焊接是在80年代后期，為適應(yīng)絕熱或無(wú)冷發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需要而發(fā)展起來(lái)的，并已取得了較大的進(jìn)展。
2．技術(shù)關(guān)鍵
不論陶瓷與金屬焊接，還是用金屬填充材料焊接陶瓷與陶瓷時(shí)都存在陶瓷/金屬界面的結(jié)合問(wèn)題。由于陶瓷與金屬在電子結(jié)隊(duì)晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)性能等方面存在著明顯的差別，因此要實(shí)現(xiàn)陶瓷/金屬界面的冶金結(jié)合是非常困難的；用常規(guī)的焊接材料和工藝幾乎無(wú)法獲得可靠的連接，尤其是熔化焊。因?yàn)橐恍┨沾桑ㄈ鏢iC、Si3N4、BN）在熔化前就升華或分解，另一些陶瓷（如MgO）熔化時(shí)迅速蒸發(fā)，其他能熔化的陶瓷，也很難與金屬熔合在一起形成組織和性能滿意的接頭。到目前只有個(gè)別用熔化焊方法焊接氧化物陶瓷的報(bào)道，如用電子束將Mo、Nb、W或可伐合金絲熔合到Al2O3絕緣體上以及用激光焊接Al2O3等?，F(xiàn)有的較成功的焊接方法都是在陶瓷不熔化的條件下進(jìn)行的，如研究得最多的釬焊與擴(kuò)散焊。用這些方法焊接陶瓷時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題為：
（1）界面反應(yīng)問(wèn)題 無(wú)論是擴(kuò)散焊還是釬焊，陶瓷/金屬界面的結(jié)合機(jī)制都屬于化學(xué)結(jié)合。陶瓷釬焊時(shí)釬料熔化后能否與陶瓷潤(rùn)濕也取決于界面反應(yīng)；沒(méi)有界面反應(yīng)就不能潤(rùn)濕，不能結(jié)合。因此，釬焊時(shí)陶瓷/金屬的界面反應(yīng)不僅是產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合的必要條件，而且也是潤(rùn)濕陶瓷的先決條件。例如用常規(guī)的Ag-Cu釬料釬焊Si3N4時(shí)，既不潤(rùn)濕又不結(jié)合；而用含有活性元素Ti的Ag-Cu-Ti釬料釬焊時(shí)，潤(rùn)濕和結(jié)合都很好。根據(jù)熱力學(xué)條件，活性元素的選擇原則是以其與陶瓷之間反應(yīng)的自由能變化ΔG0為準(zhǔn)則。在擴(kuò)散焊時(shí)為獲得好的界面結(jié)合，金屬也必須對(duì)陶瓷具有活性，例如Si3N4與Al的焊接；若金屬的活性很差時(shí)，須采用加活性中間層的辦法。
（2）界面兩側(cè)的熱-力學(xué)的匹配問(wèn)題 由于陶瓷和金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，因此由焊接溫度冷卻下來(lái)后會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，降低了接頭的斷裂強(qiáng)度。甚至開(kāi)裂。目前主要的解決辦法是在陶瓷和金屬之間加中間層。作為中間層的金屬有兩類：①熱膨脹系數(shù)小的金屬；②屈服點(diǎn)σs和彈性模量E低的軟金屬。但通常二者是相互矛盾的。軟金屬（如Cu）的熱膨脹系數(shù)都很大，而膨脹系數(shù)小的金屬（如W、Mo）的σs、E均較大。通過(guò)有限元計(jì)算和拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，說(shuō)明用軟金屬Cu作中間層比用低熱膨脹系的W、Mo作中間層的降低熱應(yīng)力效果好，而且所得接頭的抗拉強(qiáng)度高。如同時(shí)采用這兩類材料的復(fù)合中間層則效果更好。
3．幾種焊接方法的比較
根據(jù)前面的分析，熔化焊不宜于陶瓷的焊接。固相擴(kuò)散焊和釬焊較適合于陶瓷的焊接，并且得到了應(yīng)用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷增壓器和陶瓷挺柱等都是用擴(kuò)散焊和釬焊焊接的陶瓷與金屬的復(fù)合件。釬焊陶瓷除了活性釬料法外，還有一種與常規(guī)釬料配合應(yīng)用的陶瓷表面金屬化法。這種方法發(fā)展較早，主要用于電子管的封接。它的缺點(diǎn)是工藝相當(dāng)復(fù)雜。固相擴(kuò)散焊的最大優(yōu)點(diǎn)是避免了金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕問(wèn)題。但它要求整個(gè)焊接界面必須保持緊密接觸，因此對(duì)界面的加工精度要求很高，不適宜于大面積和復(fù)雜界西的焊接。釬焊主要受潤(rùn)濕性的限制很大，但它對(duì)焊接面精度的要求較低，適合大面積和復(fù)雜界面的焊接。此外，在陶瓷的固相焊接方法中除了擴(kuò)散焊外還有摩擦焊和微波焊等，但這些方法都不成熟，且存在很多缺點(diǎn)，例如摩擦焊是在瞬時(shí)內(nèi)施加很大的壓力通過(guò)大變形量來(lái)達(dá)到結(jié)合的，這對(duì)硬脆的陶瓷材料很難達(dá)到；微波焊接是利用陶瓷吸收微波的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行加熱和擴(kuò)散連接，因此不適用于自由和金屬的焊接。
4. 發(fā)展前景
關(guān)于陶瓷焊接的研究數(shù)量很多，目前除對(duì)一些理論問(wèn)題，如界面反應(yīng)、內(nèi)應(yīng)力數(shù)值模擬等須進(jìn)一步深入研究外，擬將重點(diǎn)放在實(shí)用化方面。其中主要問(wèn)題為：
1）為充分發(fā)揮陶瓷耐高溫的特性，必須解決接頭的高溫性能。
2）目前的試驗(yàn)都是采用小試樣，內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題不很突出，在大面積和復(fù)雜零件的焊接時(shí)，陶瓷前開(kāi)裂和低應(yīng)力破壞是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，必須進(jìn)步研究降低內(nèi)應(yīng)力的辦法。
3）目前的陶瓷焊接主要都在真空中進(jìn)行，效率低、成本高，必須研究非真空的高效低成本焊接方法。
其中1）、2）兩個(gè)問(wèn)題是關(guān)鍵，而且二者密切相關(guān)，又相互矛盾。從提高接頭使用溫度出發(fā)應(yīng)采用高溫釬料和耐高溫的中間層，這是目前普遍采用的辦法，但帶來(lái)了很大的負(fù)面作用，即提高了焊接內(nèi)應(yīng)力。從降低內(nèi)應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)盡量降低焊接溫度，采用低溫釬料和軟金屬的中間層，但限制了接頭的使用溫度。為解決好這對(duì)矛盾，必須研究能在低溫焊接，高溫使用的特殊材料和特殊工藝。低熔點(diǎn)過(guò)渡液相擴(kuò)散焊或低熔點(diǎn)釬料的擴(kuò)散釬焊都是很有吸引力的解決辦法；另外，可以采用陶瓷與金屬的高溫梯度材料來(lái)解決高溫焊接時(shí)的接頭內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題以及采用非晶態(tài)釬料或中間層來(lái)降低釬焊溫度和擴(kuò)散焊溫度。
此外，陶瓷在焊接件的可靠性評(píng)定也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。因?yàn)樘沾墒谴嘈圆牧?，因此一旦含有焊接微裂紋或內(nèi)應(yīng)力水平過(guò)高時(shí)，使用過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂將是非常危險(xiǎn)的。
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