原标题：陶瓷/金属钎焊连接材料与工艺研究进展
责编晓 丹
校对丽 萍
图片来源：非晶中国大数据库
超高温陶瓷具有良好的高温性能但本身较脆，与金属材料结合则可以获得良好的综合力学性能，在航空航天领域具有广阔的应用前景。其中钎焊是高温陶瓷与金属连接的主要方法。文章重点介绍了高温陶瓷与金属钎焊的钎料尤其是非晶钎料的发展历程、高温陶瓷与金属钎焊工艺的研究现状，并对陶瓷/金属的钎焊材料、钎焊工艺的未来发展趋势进行了展望。以上作者为安徽机电职业技术学院航空与材料学院、机械工程学院的王微、胥凯、张帅谋、柳砚。
引 言
超高温陶瓷复合材料具有良好的高温力学性能，如良好的耐蚀性、抗氧化性、热导率和低密度等等，被广泛应用于航空航天领域。较为常用的超高温陶瓷复合材料主要有硼化物、碳化物、氮化物以及纤维增强陶瓷基复合材料，其中以ZrB2、TiB2等为代表的硼化物抗氧化性较其他几种高温陶瓷更好，成为研究热点。传统超高温陶瓷结构件的制备主要采用热压烧结法、放电等离子热压法等烧结致密化工艺，近年来针对复杂陶瓷结构件研究者又尝试了钎焊的方法，这种焊接技术在航空发动机的大量重要部件如导向叶片、扩散器、涡轮导向器上都有着广泛应用。
超高温陶瓷本身具有很大的脆性，但与金属材料结合起来可以获得优良的综合力学性能，拓展其应用领域。在陶瓷与金属连接的众多方式之中，钎焊是一种较为简单、应用广泛的方法。本文着重探讨高温陶瓷复合材料与金属的钎焊连接，着重梳理超高温陶瓷/金属钎焊材料、钎焊工艺的研究状况。
1 钎焊材料
钎焊时钎料的作用至关重要，它直接影响着接头质量与力学性能。因此，在选择钎料时要充分考虑润湿性、铺展性、钎料与母材的扩散作用以及钎料的成分均匀性等因素。目前用于超高温陶瓷钎焊的钎料可以分为传统钎料如一些贵金属钎料:银基钎料、铜基钎料、金基钎料等，还有一类是非晶态钎料。贵金属钎料成本高，与陶瓷材料润湿性不好，非晶态钎料采用非晶态合金制备而成，具有独特的长程无序短程有序结构，且与陶瓷和金属材料间都具有很好的润湿性、制备的接头强度高、耐蚀性好，逐渐成为研究热点。
1.1Ni基非晶态钎料
Ni基非晶态钎料最早被美国航空公司用于钎焊JTD8喷气机的部件。Ni基非晶钎料具有很好的高温性能，可以用于钎焊陶瓷、金属以及各种高温合金。采用Ni－Cr－Si－B非晶态钎料钎焊氧化锆陶瓷与TC4合金，在钎焊温度为1025℃，保温10min的工艺条件下获取了较好的焊接接头且剪切强度高达284.6MPa。
1.2 Cu基非晶态钎料
Cu基非晶态钎料具有较好的耐腐蚀性，且Cu成本低廉兼具优良的玻璃成型性是目前研究较为深入的一种非晶钎料。已经开发出来主要有Cu－P系、Cu－Ag－Sn系、Cu－Ni－Sn－P系等。近年来急冷法制备非晶箔带性能优良，成为趋势。如使用单辊甩带法制备Cu－P非晶箔带钎料润湿性好、组织更加均匀。采用Cu－Ni－Ti非晶钎料钎焊Si3N4陶瓷亦取得了较好焊接强度。
1.3 Ti基非晶态钎料
Ti基非晶态钎料在上世纪90年代中后期得以迅速发展。Si3N4陶瓷具有很广泛的工程应用，国内研究者在钛基非晶钎料进行Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷，Si3N4陶瓷/金属钎焊方面展开了广泛的研究，取得了丰硕的研究成果。Ti基非晶态钎料发展历程见表1。
表1 Ti基非晶钎料发展历程表
2 陶瓷/金属钎焊工艺研究现状
陶瓷与金属间的连接方式有多种如扩散焊、机械连接、部分瞬间液相连接、钎焊连接等，在这些连接工艺当中，钎焊对连接材料表面质量要求低、残余应力小，成本低，尺寸适应性广等优点因而应用较多。
2.1 碳化物陶瓷/金属钎焊
SiC、TiC等都属于碳化物系陶瓷，是碳化物陶瓷/金属钎焊中最常用的陶瓷种类。冯吉才等对TiC金属陶瓷与中碳钢进行了真空钎焊连接试验，结果表明保持钎焊时间为15min，使钎焊温度在750℃～1000℃范围内变化时，在850℃的钎焊温度获得的钎焊接头抗剪强度最大为98MPa;随后保持钎焊温度为850℃，钎焊时间在5min～30min变化，发现焊接接头抗剪强度随保温时间增加先升高后下降，在钎焊保温时间为10min时抗剪强度最大为121MPa。北京有色金属研究总院采用铜基钎料对SiC陶瓷与Nb进行了钎焊研究，结果表明钎焊时钎缝与SiC陶瓷中的元素扩散良好，且在1045℃～1101℃的钎焊温度范围内，随着钎焊温度的增加，钎焊接头的强度呈上升趋势。近年来，也有诸多的研究者借助辅助手段如超声波来强化陶瓷与金属的连接，取得了一定的成效。
2.2 氮化物陶瓷/金属钎焊
氮化物陶瓷/金属钎焊的研究以Si3N4陶瓷及其复合材料为典型代表。太原理工大学张红霞等采用基于Cu－Ti复合渗镀的Si3N4陶瓷与金属进行钎焊连接，获得了良好的焊接接头界面组织，为陶瓷/金属的钎焊连接提供了一种新思路。而借助有限元模拟则可以提前预测焊接缺陷与残余应力集中，节省工艺时间与成本，如采用ANSYS有限元分析软件对Si3N4陶瓷/304不锈钢在特定钎焊条件下进行数值模拟，准确预测了钎焊接头残余应力分布情况。王颖等人研究了Invar合金与Si3N4陶瓷钎焊接头界面组织和性能，结果发现钎焊温度和保温时间同时影响Si3N4陶瓷界面反应层的厚度、脆性相含量与分布，进而影响焊接接头的强度，如图1所示，图1(a)中当钎焊保温时间为15min时，随着钎焊温度升高，焊接接头的抗剪强度呈现先增后降的趋势，同样的变化趋势也发生在图1 (b)中，在钎焊温度为870℃时，随着保温时间的延长，接头平均抗剪强度在保温15min时达到最大值92.8MPa，之后随时间的延长抗剪强度发生下降。
图1 钎焊工艺参数对Invar/Si3N4接头抗剪强度影响
2.3 氧化物陶瓷/金属钎焊
对氧化物陶瓷/金属钎焊的研究主要以ZrO 2 、Al 2 O 3 陶瓷及其复合材料为典型代表，研究的内容也较为宽泛，钎料、钎焊温度、钎焊时间是主要研究内容，如刘玉华系统研究了传统钎料和非晶钎料对氧化物陶瓷/金属钎焊连接的影响。ZrO 2 陶瓷与金属的钎焊连接则主要集中在ZrO 2 陶瓷/不锈钢、ZrO 2 陶瓷/钛合金，如黄晓克等通过对ZrO 2 陶瓷与310S不锈钢在空气氛围下钎焊研究发现，ZrO 2 陶瓷/Ag－CuO钎料/310S不锈钢在钎焊时发生了单边反应，即仅不锈钢一侧与钎料反应形成界面反应层，且随着钎料中CuO增加，反应层厚度增厚，但接头强度随钎料中CuO增加呈现先增后减趋势。对ZrO 2 陶瓷与TC4真空钎焊的研究则发现，当钎焊温度为875℃，保温15min时能够获得的钎焊接头强度最高可达191．9MPa，但在一定的钎焊温度范围即850～950℃，温度的较小变化就会引起强度急剧下降。Al 2 O 3 陶瓷与钎料之间的润湿性差，多采用活性钎料。采用AgCuTi活性钎料对Al 2 O 3 陶瓷与TiAl合金真空钎焊研究表明，钎焊温度的升高和保温时间的延长会使陶瓷一侧的反应层厚度增加，接头抗剪强度先升后降，最佳钎焊工艺参数为钎焊温度880℃、保温10min ，此时最大抗剪强度为94MPa。
表2给出了一些常见陶瓷/金属钎焊连接工艺最佳参数、钎料以及接头强度情况。这些经验总结可为今后陶瓷/金属钎焊连接工艺改进提供一定的借鉴与参考意义。
表2 陶瓷/金属钎焊工艺
3 结 论
（1）非晶钎料具有良好润湿性、成分均匀性，成形性能优良，能够改善钎料的铺展性能已是实现高温陶瓷与金属连接的重要钎焊材料之一。其中Ni基非晶态钎料、Cu基非晶态钎料、Ti基非晶态钎料等已在高温陶瓷/金属、金属/金属、陶瓷/陶瓷连接中得到了广泛的应用。非晶钎料成分与性能优化设计是今后研究趋势。
（2）高温陶瓷与金属材料的钎焊提高钎料与母材的润湿性是关键。将陶瓷表面进行预处理或是直接采用活性钎料都是获取理想接头组织的解决方法，如在Si3N4陶瓷表面预先进行Cu－Ti复合渗镀之后再与金属进行钎焊，以及采用AgCuTi活性钎料对Al 2 O 3 陶瓷与TiAl合金真空钎焊等都是研究者进行的尝试。目前高温陶瓷与金属材料的钎焊连接已经实现，从现有相关研究资料来看获得的钎焊接头剪切强度依然不高，但随着钎焊工艺、钎焊材料以及仿真技术的不断完善，高温陶瓷/金属钎焊研究也将不断得以发展。
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