1、第第7 7章章 先进材料的焊接先进材料的焊接先进材料先进材料 是指采用先进技术新近开是指采用先进技术新近开发或正在开发的具有独特发或正在开发的具有独特性能和特殊用途的材料性能和特殊用途的材料 新型的新型的金属金属结构结构 材料材料 先进先进陶瓷陶瓷 材料材料 金属间化金属间化合物和复合合物和复合材料的开发材料的开发与应用与应用 7.1 7.1 先进材料的分类及性能特点先进材料的分类及性能特点7.1.1 7.1.1 先进材料的分类先进材料的分类先进陶先进陶瓷材料瓷材料金属间金属间化合物化合物 复合复合材料材料 先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无机化合
2、物为原料及先进的制备工艺技术制造出机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。先进陶瓷材料一般分为结的性能优异的产品。先进陶瓷材料一般分为结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。是指由两种或两种以上的物理和化学性质不同是指由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质，按一定方式、比例及分的物质，按一定方式、比例及分 布方式组合布方式组合而成的一种多相固体材料。而成的一种多相固体材料。金属键结合，具有长程有序的超点阵结构。金属键结合，具有长程有序的超点阵结构。它不遵循传统的化合价规律，具有金属的特它不遵循传统的化合价规律，具有金属的特性，晶体结构
3、与组成它的两个金属组元的结性，晶体结构与组成它的两个金属组元的结构不同，两个组元的原子各占据一定的点阵构不同，两个组元的原子各占据一定的点阵位置，呈有序排列。位置，呈有序排列。7.1.2 7.1.2 先进材料的性能特点先进材料的性能特点与单一材料相比，复合材料的最大特点是与单一材料相比，复合材料的最大特点是具有优异的综合性能和可设计性。具有优异的综合性能和可设计性。 与金属材料相比，陶瓷材料的热膨胀系数比较低，与金属材料相比，陶瓷材料的热膨胀系数比较低，一般在一般在 /K/K的范围；熔点高很多，有些陶瓷的范围；熔点高很多，有些陶瓷 可在可在2000-30002000-3000的高温下工作且保持
4、室温时的强度，的高温下工作且保持室温时的强度， 而大多数金属在而大多数金属在10001000以上就基本上丧失了强度性能。以上就基本上丧失了强度性能。 先进材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化先进材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等一系列优点。等一系列优点。 与无序合金相比，金属间化合物的长程有序超点阵与无序合金相比，金属间化合物的长程有序超点阵 结构保持很强的金属键结合，具有许多特殊的物理、结构保持很强的金属键结合，具有许多特殊的物理、 化学性能，如电学性能、磁学性能和高温力学性能等。化学性能，如电学性能、磁学性能和高温力学性能等。 6510107.2 7.2 陶瓷材料与金属的焊接陶瓷材
5、料与金属的焊接7.2.1 7.2.1 陶瓷的分类及性能陶瓷的分类及性能陶陶瓷瓷的的分分类类结构结构 陶瓷陶瓷 功能功能 陶瓷陶瓷 电子陶瓷电子陶瓷 高温陶瓷高温陶瓷 光学陶瓷光学陶瓷 高硬度陶瓷等高硬度陶瓷等 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氧化铝部分稳定氧化铝部分稳定氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 氮化硅、碳化硅氮化硅、碳化硅 7.1.2 7.1.2 陶瓷与金属的焊接性分析陶瓷与金属的焊接性分析陶瓷与陶瓷与金属的金属的焊接性焊接性分析分析焊接裂纹焊接裂纹 界面润湿性差界面润湿性差 界面反应界面反应焊焊接接裂裂纹纹产生产生原因原因避免避免措施措施 陶瓷与金属的化学成分和物理性能有大差陶瓷
6、与金属的化学成分和物理性能有大差别，特别是线膨胀系数差异很大，此外，别，特别是线膨胀系数差异很大，此外，陶瓷的弹性模量也很高。陶瓷与金属的焊接陶瓷的弹性模量也很高。陶瓷与金属的焊接一般是在高温下进行。一般是在高温下进行。 添加中间层或合理选用钎料添加中间层或合理选用钎料 合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使合理选择被焊陶瓷与金属，在不影响接头使用性能的条件下，尽可能使两者的线膨胀系用性能的条件下，尽可能使两者的线膨胀系数相差最小；数相差最小； 应尽可能地减少焊接部位及其附近的温度梯应尽可能地减少焊接部位及其附近的温度梯度，控制加热和冷却速度，降低冷却速度，度，控制加热和冷却速度，降低冷却速度
7、，有利于应力松弛而使应力减小；有利于应力松弛而使应力减小； 采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计采取缺口、突起和端部变薄等措施合理设计陶瓷与金属的接头结构。陶瓷与金属的接头结构。 界界面面润润湿湿性性 差差 产生产生原因原因改善改善方法方法陶瓷材料含有离子键或共价键，表现出非常陶瓷材料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稳定的电子配位，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润湿，所以用通常的熔焊方法使金属与陶瓷产生熔合是很困难的。产生熔合是很困难的。 陶瓷表面陶瓷表面的金属化的金属化处理处理 活性金属活性金属化法化法 在钎料中加入活性元素
8、，使钎料与陶在钎料中加入活性元素，使钎料与陶瓷之间发生化学反应，使陶瓷表面分瓷之间发生化学反应，使陶瓷表面分解形成新相，产生化学吸附，形成结解形成新相，产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷与金属结合界面，这种合牢固的陶瓷与金属结合界面，这种方法称为活性金属化法。方法称为活性金属化法。Mo-MnMo-Mn法法 蒸发法蒸发法 喷溅法喷溅法 离子注入法等离子注入法等 界面反应界面反应陶瓷与金属接头在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与陶瓷与金属接头在界面间存在着原子结构能级的差异，陶瓷与金属之间是通过过渡层金属之间是通过过渡层( (扩散层或反应层扩散层或反应层) )而焊接结合的。两种而焊接结合的。两种
9、材料之间的界面反应对接头的形成和性能有极大的影响。接头材料之间的界面反应对接头的形成和性能有极大的影响。接头界面反应的组织结构是影响陶瓷与金属焊接性的关键。界面反应的组织结构是影响陶瓷与金属焊接性的关键。表表7.4 7.4 不同类型陶瓷与金属接头中可能出现的界面反应产物不同类型陶瓷与金属接头中可能出现的界面反应产物7.2.3 7.2.3 陶瓷与金属的焊接工艺特点陶瓷与金属的焊接工艺特点 陶瓷与金属的焊接方法包括钎焊、扩散焊、电子束焊、陶瓷与金属的焊接方法包括钎焊、扩散焊、电子束焊、摩擦焊等。其中应用较多的方法是钎焊和扩散焊。无摩擦焊等。其中应用较多的方法是钎焊和扩散焊。无论采用哪种焊接工艺，陶
10、瓷与金属焊接接头的性能须论采用哪种焊接工艺，陶瓷与金属焊接接头的性能须满足如下基本要求：满足如下基本要求：所形成的所形成的陶瓷与金陶瓷与金属的焊接属的焊接接头，必接头，必须具有较须具有较高的强度高的强度 焊接接焊接接头必须头必须具有真具有真空的气空的气密性密性 接头残余应力接头残余应力应最小，焊接应最小，焊接接头在使用过接头在使用过程中应具有耐程中应具有耐热、耐蚀和热热、耐蚀和热稳定性能稳定性能 焊接工艺焊接工艺应尽可能应尽可能简化，工简化，工艺过程稳艺过程稳定，生产定，生产成本低成本低 钎焊钎焊 扩散扩散焊焊电子电子束焊束焊陶瓷金属化陶瓷金属化法钎焊工艺法钎焊工艺 活性金属化活性金属化法钎焊
11、工艺法钎焊工艺主要优点是接头强度高，工件变形小；主要优点是接头强度高，工件变形小；不足之处是保温时间长、成本高、试件不足之处是保温时间长、成本高、试件尺寸和形状受到真空室限制。尺寸和形状受到真空室限制。采用添加活性元素的钎料采用添加活性元素的钎料直接对陶瓷与金属进行钎焊直接对陶瓷与金属进行钎焊在陶瓷表面进行合金化在陶瓷表面进行合金化 后再用普通钎料进行钎焊后再用普通钎料进行钎焊电子束焊是利用高能密度的电子束，轰击电子束焊是利用高能密度的电子束，轰击 焊件使局部加热、熔化而将工件焊接起来焊件使局部加热、熔化而将工件焊接起来 7.3 7.3 金属间化合物的焊接金属间化合物的焊接7.3.1 7.3.
12、1 金属间化合物的金属间化合物的分类及性能分类及性能 Ni-AlNi-Al系金属系金属间化合物间化合物 Ti-AlTi-Al系金属系金属间化合物间化合物 Fe-AlFe-Al系金属系金属间化合物间化合物Ni3AlNi3Al金属间化合物具有独特的高温性能，金属间化合物具有独特的高温性能， 低于低于800800时屈服强度随温度升高而增加。时屈服强度随温度升高而增加。 Ti3AlTi3Al为密排六方有序超点阵结构，高温为密排六方有序超点阵结构，高温下（下（800850800850）具有良好的高温性能，）具有良好的高温性能，密度较小（密度较小（4.14.7g/cm4.14.7g/cm3 3），弹性模量
13、），弹性模量较高（较高（110145GPa） ，与镍基高温合金，与镍基高温合金相比可减轻质量相比可减轻质量40%40%。 Fe3AlFe3Al的弹性模量较大，熔点较高，的弹性模量较大，熔点较高，比重较小，在室温下具有铁磁性特征。比重较小，在室温下具有铁磁性特征。 7.3.2 7.3.2 金属间化合物的焊接性分析金属间化合物的焊接性分析金属间金属间化合物化合物的焊接的焊接性分析性分析焊接焊接裂纹裂纹 界面界面 反应反应 接头接头 强度低强度低 金属间化合物由于塑性和韧性较差，金属间化合物由于塑性和韧性较差，焊接中的主要问题是焊缝及热影响区焊接中的主要问题是焊缝及热影响区易出现裂纹。易出现裂纹。
14、界面反应生成化合物的类型取决于被界面反应生成化合物的类型取决于被 焊母材和钎料（或中间合金）的物理、焊母材和钎料（或中间合金）的物理、化学性质以及焊接工艺参数。化学性质以及焊接工艺参数。 金属间化合物采用熔焊方法时，室温金属间化合物采用熔焊方法时，室温 脆性易引起焊接裂纹，降低接头强度；脆性易引起焊接裂纹，降低接头强度；采用钎焊和扩散焊方法，尽管能够避采用钎焊和扩散焊方法，尽管能够避 免焊接裂纹，但接头的强度仍然不高。免焊接裂纹，但接头的强度仍然不高。 7.3.3 7.3.3 金属间化合物的焊接工艺特点金属间化合物的焊接工艺特点钨极钨极 氩弧焊氩弧焊 电子束电子束 焊焊 扩散焊扩散焊 及钎焊及
15、钎焊 金属间化合物氩弧焊时，必须选择成分与母金属间化合物氩弧焊时，必须选择成分与母材相近的焊丝作为填充材料。为避免产生焊材相近的焊丝作为填充材料。为避免产生焊接裂纹，必须采取焊前预热的措施。接裂纹，必须采取焊前预热的措施。 Ti-AlTi-Al金属间化合物电子束焊时，接头容易金属间化合物电子束焊时，接头容易产生脆性马氏体组织，导致焊缝和热影响产生脆性马氏体组织，导致焊缝和热影响区的脆化。因此，焊前预热、提高焊接速度、区的脆化。因此，焊前预热、提高焊接速度、减小焊接热输入、降低冷却速度是接头性能减小焊接热输入、降低冷却速度是接头性能保证保证Ti-AlTi-Al金属间化合物的关键金属间化合物的关键
16、 扩散焊可以焊接扩散焊可以焊接Fe3AlFe3Al，也可以焊接，也可以焊接Fe3AlFe3Al与异种金属。与异种金属。钎焊可用于焊接塑、韧性差的钎焊可用于焊接塑、韧性差的NiAlNiAl金属间化合物。金属间化合物。 7 7.4 .4 金属基复合材料的焊接金属基复合材料的焊接7.4.1 7.4.1 金属基金属基复合材料的分类及性能复合材料的分类及性能 根据增强根据增强相形态相形态 根据根据基体材料基体材料 根据材料根据材料的用途的用途 连续纤维增强连续纤维增强非连续增强非连续增强层板金属基复合材料层板金属基复合材料 铜基等复合材料铜基等复合材料 镁基、锌基镁基、锌基 铝基、钛基铝基、钛基 结构复
17、合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料智能复合材料智能复合材料7.4.2 7.4.2 金属基复合材料的焊接性分析金属基复合材料的焊接性分析 金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的结合，金属基复合材料焊接时，不仅要解决金属基体的结合，还要考虑到金属与非金属之间的结合。因此，金属基还要考虑到金属与非金属之间的结合。因此，金属基复合材料的焊接问题，关键是非金属增强相与金属基复合材料的焊接问题，关键是非金属增强相与金属基体以及非金属增强相之间的结合。体以及非金属增强相之间的结合。 界面反应界面反应熔池流动性和熔池流动性和 界面润湿性差界面润湿性差 接头强度低接头强度低 焊接焊接性性分析分析界界
18、面面反反应应定义定义解决解决措施措施冶金冶金措施措施改善改善焊接焊接工艺工艺金属基复合材料的金属基体与增强相之间，在较金属基复合材料的金属基体与增强相之间，在较大的温度范围内是热力学不稳定的，焊接加热到大的温度范围内是热力学不稳定的，焊接加热到一定温度时，一定温度时，两者的接触界面上两者的接触界面上会发生化学反应，会发生化学反应，生成对材料性能不利的脆性相，这种反应称为生成对材料性能不利的脆性相，这种反应称为界面反应。界面反应。 加入一些活性比基体金属更强的元素或加入一些活性比基体金属更强的元素或 能阻止界面反应的元素来防止界面反应。能阻止界面反应的元素来防止界面反应。 钎焊钎焊扩散焊扩散焊中
19、间层中间层由于温度较低，基体金属不熔化，由于温度较低，基体金属不熔化，加上钎料中的元素阻止作用，不加上钎料中的元素阻止作用，不易引起界面反应。易引起界面反应。 为防止发生界面反应，必须严格控为防止发生界面反应，必须严格控 制加热温度、保温时间和焊接压力。制加热温度、保温时间和焊接压力。 可以避免界面上纤维的直接接触，可以避免界面上纤维的直接接触，使界面易于发生塑性流变使界面易于发生塑性流变 采用熔焊方法焊接纤维增强金属基复合材料时，金属与金属之采用熔焊方法焊接纤维增强金属基复合材料时，金属与金属之 间的结合为熔焊机制，金属与纤维之间的结合属于钎焊机制。间的结合为熔焊机制，金属与纤维之间的结合属
20、于钎焊机制。 共晶扩散钎焊是将焊接表面镀上中间扩散层或在焊接表面之共晶扩散钎焊是将焊接表面镀上中间扩散层或在焊接表面之间加入中间层薄膜，加热到适当的温度，使母材基体与中间间加入中间层薄膜，加热到适当的温度，使母材基体与中间层之间相互扩散，形成低熔点共晶液相层，经过等温凝固以层之间相互扩散，形成低熔点共晶液相层，经过等温凝固以及均匀化扩散等过程后形成一个成分均匀的接头。及均匀化扩散等过程后形成一个成分均匀的接头。 采用软钎焊焊接金属基复合材料，由于钎料熔点低，熔池采用软钎焊焊接金属基复合材料，由于钎料熔点低，熔池 流动性好，可将钎焊温度降低到纤维开始变差的温度以下。流动性好，可将钎焊温度降低到纤
21、维开始变差的温度以下。 采用电弧焊方法焊接非连续增强金属基复合材料时，采用电弧焊方法焊接非连续增强金属基复合材料时，基体金属不同时，复合材料焊接熔池的流动性也明显不同。基体金属不同时，复合材料焊接熔池的流动性也明显不同。 熔池流动性和熔池流动性和 界面润湿性差界面润湿性差接头接头强度低强度低 金属基复合材料基体与增强相的线膨胀系数相差金属基复合材料基体与增强相的线膨胀系数相差较大，在焊接加热和冷却过程中产生很大的内应较大，在焊接加热和冷却过程中产生很大的内应力，易使结合界面脱开。力，易使结合界面脱开。 焊接过程中如果施加压力过大，会引起增强纤维焊接过程中如果施加压力过大，会引起增强纤维的挤压和
22、破坏。此外，电弧焊时，在电弧力的作的挤压和破坏。此外，电弧焊时，在电弧力的作 用下，纤维不但会发生偏移，还可能发生断裂。用下，纤维不但会发生偏移，还可能发生断裂。 此外，非连续增强金属基复合材料焊接时，除界面此外，非连续增强金属基复合材料焊接时，除界面反应、熔池流动性差等问题，还存在较强的气孔倾反应、熔池流动性差等问题，还存在较强的气孔倾向、结晶裂纹敏感性和增强相的偏聚问题。向、结晶裂纹敏感性和增强相的偏聚问题。 7.4.3 7.4.3 金属基复合材料的焊接工艺特点金属基复合材料的焊接工艺特点连续纤维增强金属基复合材料的焊接连续纤维增强金属基复合材料的焊接 方法主要有氩弧焊、激光焊、钎焊、扩散
23、焊等。方法主要有氩弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊等。 表表7.19 Wf/Ti7.19 Wf/Ti复合材料复合材料TIGTIG焊的工艺参数及接头力学性能焊的工艺参数及接头力学性能非连续增强金属基复合材料可采用非连续增强金属基复合材料可采用 熔焊、固相焊、钎焊三类焊接方法。熔焊、固相焊、钎焊三类焊接方法。 表表7.20 7.20 非连续增强金属基复合材料不同焊接方法的比较非连续增强金属基复合材料不同焊接方法的比较1.1.陶瓷与金属焊接时主要问题是产陶瓷与金属焊接时主要问题是产生裂纹，分析裂纹产生的主要原因？生裂纹，分析裂纹产生的主要原因？从焊接工艺上应采取哪些措施避免裂从焊接工艺上应采取哪些措施避免
24、裂纹？纹？ 2.AL2.AL2 2O O3 3 陶瓷与陶瓷与CuCu焊接时可采用的焊焊接时可采用的焊接方法有哪些？在焊接工艺上有何特接方法有哪些？在焊接工艺上有何特点？点？3. 3. 分析为什么采用常规的熔焊方法分析为什么采用常规的熔焊方法很难实现陶瓷很难实现陶瓷- -金属的可靠连接，采金属的可靠连接，采用固相焊方法时如何提高陶瓷用固相焊方法时如何提高陶瓷- -金属金属接头的性能接头的性能4.SiC4.SiC陶瓷与陶瓷与ALAL钎焊时常用的钎料有钎焊时常用的钎料有哪些？可采用哪些方式填加钎料？哪些？可采用哪些方式填加钎料？5.5.陶瓷与金属的扩散焊工艺特点有陶瓷与金属的扩散焊工艺特点有哪些？如
25、何选择合适的扩散焊工艺参哪些？如何选择合适的扩散焊工艺参数？数？6.Ni-AL6.Ni-AL、Ti-AlTi-Al和和Fe-AlFe-Al金属间化合金属间化合物相比，哪种焊接性较好？这几种材物相比，哪种焊接性较好？这几种材料焊接时采用的方法和工艺措施是否料焊接时采用的方法和工艺措施是否相同，为什么？相同，为什么？NiNi3 3Al Al 与与 NiAlNiAl的焊的焊接性有什么不同？解释接性有什么不同？解释 其原因？其原因？ 7.Te-Al7.Te-Al金属间化合物焊接时界面金属间化合物焊接时界面容易形成的反应产物有哪些？这些容易形成的反应产物有哪些？这些产物对接头的性能有何影响？产物对接头的
26、性能有何影响？8.8.连续增强金属基复合材料和非连连续增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料的焊接性有续增强金属基复合材料的焊接性有何差异，为什么？针对这两种材料何差异，为什么？针对这两种材料焊接性的不同，各应采用何种焊接焊接性的不同，各应采用何种焊接方法，为什么？方法，为什么？9.9.金属基复合材料常用的增强相有金属基复合材料常用的增强相有哪些？这些增强相对金属基复合材哪些？这些增强相对金属基复合材料的焊接性有何影响？料的焊接性有何影响？10.B10.Bf f/Al/Al复合材料焊接时产生什么复合材料焊接时产生什么问题？针对这些问题应采取什么样问题？针对这些问题应采取什么样的工艺措施？的工艺措施？
