哈尔滨工业大学科技成果——陶瓷与金属连接技术

工艺材料本文2002202209收到,王申和谭惠民分别系北京理工大学讲师及教授;李淑华系军械工程学院副教授陶瓷2金属的连接技术王　申　李淑华　谭惠民 摘　要　介绍了陶瓷与金属连接的几种方法的机理及特点,重点讨论了对未来动力工程和先进发动机有重要意义的陶瓷与金属纳米复合粘接剂连接、钎焊连接、部分瞬间液相连接及自蔓延高温合成(SHS )连接。

主题词　陶瓷 金属 连接 粘合剂 焊接近年来,随着陶瓷材料的大规模研究开发,陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的连接技术也越来越引起人们的关注[1]。

实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷的应用范围,尤其在航空航天领域,如飞行器及导弹关键部件的连接,但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料,相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异,特别是化学键差异较大,采用常规的焊接方法不能实现有效连接[2];因此,陶瓷2金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点[3]。

为探讨陶瓷与金属的连接机理,本文围绕陶瓷与金属的连接介绍几种主要方法及其性能。

1　粘合剂粘接连接粘接具有固化速度快、使用温度范围宽、抗老化性能好等特点,被用于飞机应急修理、炮射导弹辅助件连接、修复涡轮、修复压气机转子等方面。

澳大利亚和美国自70年代以来就采用复合材料补片对损伤的飞机结构进行胶接修理,目前已成功地在多种飞机上得到了应用[4]。

国内,胶接技术的应用也比较广泛,其中在导弹发动机部位四周对称地粘上四块加强瓣,既保护了发动机壳体,又提高了导弹发射时的承载能力。

但这种技术要求胶粘剂可以室温固化、粘接强度高,既要耐冲击力,又要使加强瓣在导弹出炮口时便于分离。

文献[6]认为橡胶型的胶粘剂虽具有优良的耐冲击力,但抗剪切强度不高,胶层破坏时的变形能力大,有可能造成炮射导弹上粘接的四块加强瓣不能同时分离的危险。

因此,选取胺类固化剂加入不同的增韧剂,研究出在通用的环氧树脂中加入室温固化剂和两种液体橡胶共同增韧的配方,解决了炮射导弹上粘接加强瓣问题。

1前言先进陶瓷材料具有硬度高、强度大、耐高温、耐磨性能好、抗腐蚀、抗氧化等优良的特性和广阔的应用前景，尤其是在电子、能源、交通、发动机制造、航空航天等领域。

然而，陶瓷的韧性值较低，属于脆性材料，采用机械加工的方法难以制备出尺寸较大和复杂结构的构件，为了克服先进陶瓷的脆性及难加工等问题，拓宽其进一步的应用与发展，常将陶瓷与金属连接起来，在性能上形成一种互补关系，使之成为理想的结构和工程材料，以满足现代工程的应用[1-2]。

陶瓷与金属的连接既是连接领域的热点问题又是难点问题，首先金属与陶瓷在化学键型、物理和化学特性、力学性能及微观结构等方面具有较大的差异；其次，陶瓷与金属的热膨胀系数相差较大，连接时在界面处导致残余应力的集中，致使接头强度下降。

生产中常用钎焊或扩散焊的方法将陶瓷与金属（陶瓷）连接起来，随着连接技术的深入研究，相继研发了一些新的方法（中性原子束焊、激光焊、超声波焊、微波焊以及燃烧合成技术等）[3]。

本文针对近年陶瓷与金属连接而开发的连接技术进行阐述，总结最新的研究成果并对其进行展望。

2陶瓷与金属的连接技术15世纪中叶，我国明代景泰蓝的制作开创了陶瓷与金属连接技术的先河，但是，具有产业化的、工业规模的连接技术则始于20世纪30年代。

Wattery 和德律风根公司的Pulfrich于1935~1939年在陶瓷表面喷涂一层高熔焦仁宝1,2，荣守范1，李洪波1，朱永长1，刘文斌1，张圳炫1（1.佳木斯大学材料科学与工程学院，佳木斯154007；2.佳木斯大学机械工程学院，佳木斯154007）陶瓷与金属连接是陶瓷面向工程应用的关键技术。

本文阐述了适用于陶瓷与金属连接的各种方法及其机理、特点和工程上的应用。

指出钎焊和扩散焊具有很好的适应性，并对陶瓷与金属连接的研究前景进行了展望。

金属；连接方法（1980年~），男，黑龙江省佳木斯人，博士研究生。

黑龙江省教育厅项目（2016-KYYWF-0567）. All Rights Reserved.点金属（Ni 、W 、Fe 、Cr 、Mo ）进行活化处理，采用间接钎焊的方法，制造陶瓷电子管，该项技术于1940年获得专利，称之为德律风根法。

SiC陶瓷与TC4钛合金反应钎焊的研究
刘会杰
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】1998(000)011
【摘要】采用Ｃｕ箔对常压烧结的ＳｉＣ陶瓷与ＴＣ４钛合金进行了接触反应钎焊，并对接头的微观组织，形成机理和室温强度进行了研究。

结果表明，利用Ｃｕ箔可以在低于其熔点的温度实现ＳｉＣ与ＴＣ４钛合金的连接。

接头界面具有明显的层状结构，即由Ｔｉ－Ｃｕ－Ｓｉ合金层，Ｔｉ－Ｃｕ合金层和富Ｔｉ的Ｔｉ－Ｃｕ－Ａｌ合金层组成。

在１２７３Ｋ的条件下连续５ｍｉｎ，接头室温关照切达到１８６ＭＰａ。

【总页数】1页(P22)
【作者】刘会杰
【作者单位】哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室;哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.1
【相关文献】
1.SiO2陶瓷与TC4钛合金的钎焊研究 [J], 张丽霞;吴林志;田晓羽;何鹏;刘多;冯吉才
2.Ag-Cu-Ti-(Ti+C)反应-复合钎焊SiC陶瓷和 Ti合金的接头组织 [J], 林国标;黄
继华;张建纲;刘慧渊;毛建英;李海刚
3.SiC／Al复合材料与TC4钛合金真空钎焊工艺研究 [J], 李晓红;毛唯
4.用铝基钎料钎焊SiC陶瓷及其在SiC陶瓷表面浸润性的研究 [J], 金朝阳;陈铮;顾晓波;刘凯
5.SiC陶瓷/SiC陶瓷及SiC陶瓷/Ni基高温合金SHS焊接中的界面反应及微观结构研究 [J], 李树杰;刘深;段辉平;张永刚;吴晨刚;党紫九;张艳
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陶瓷与金属的连接技术1. 引言陶瓷和金属是两种不同性质的材料，它们在物理、化学和力学特性上存在明显差异。

由于这种差异，将陶瓷与金属进行有效连接是一个具有挑战性的任务。

然而，随着科技的发展和工程需求的增加，陶瓷与金属之间的连接技术变得越来越重要。

本文将介绍几种常见的陶瓷与金属连接技术，并对其优缺点进行探讨。

2. 黏结剂连接黏结剂连接是一种常见且简单的方法，用于将陶瓷与金属材料连接在一起。

该方法通过使用黏合剂或粘合剂来实现连接。

黏结剂可以是有机或无机材料，如环氧树脂、聚酰亚胺等。

2.1 优点•黏结剂连接方法简单易行。

•可以实现大面积接触。

•黏结剂具有一定的柔韧性，可以缓解因材料差异而引起的应力集中问题。

2.2 缺点•黏结剂连接的强度受到黏结剂本身性能的限制。

•黏结剂可能会受到温度、湿度等环境因素的影响而失效。

•黏结剂连接需要进行精确的表面处理和涂覆工作，增加了制造成本和复杂度。

3. 焊接连接焊接是一种常用的金属连接技术，它也可以用于将陶瓷与金属材料连接在一起。

在焊接过程中，通过加热和冷却来实现材料之间的结合。

3.1 激光焊接激光焊接是一种高能量密度焊接方法，适用于陶瓷与金属之间的连接。

激光束可以在非常短的时间内加热材料，从而实现快速焊接。

3.1.1 优点•激光焊接可以实现高强度连接。

•焊接区域小，对周围区域影响小。

•可以实现高精度、无损伤的焊接。

3.1.2 缺点•激光设备昂贵且操作复杂。

•对材料表面质量要求较高。

•需要进行精确的焊接参数控制。

3.2 电子束焊接电子束焊接是一种利用高速电子束加热材料并实现连接的方法。

它可以在真空或低压环境下进行，适用于陶瓷与金属之间的连接。

3.2.1 优点•电子束焊接可以实现高强度连接。

•焊接区域小，对周围区域影响小。

•可以实现高精度、无损伤的焊接。

3.2.2 缺点•电子束设备昂贵且操作复杂。

•对材料表面质量要求较高。

•需要进行精确的焊接参数控制。

4. 氧化铝陶瓷与金属连接技术氧化铝陶瓷是一种常见的工程陶瓷材料，具有优异的耐磨、耐腐蚀和绝缘性能。

万方数据　万方数据　万方数据　万方数据周健等Ⅲｏ对Ａ１２０３一Ａ１２０３以及Ａ１２０３和ＨＡＰ（羟基磷灰石）生物陶瓷进行了焊接，并借助电镜、电子探针分析了界面结合情况。

前者在２ＭＰａ、１３００℃、保温１５ｍｉｎ时结合强度达到基体强度。

后者在２．５ＭＰａ、１２００℃、保温１５ｍｉｎ左右将两类材料焊接在一起。

蔡杰等¨引采用１’Ｅ１０３型谐振腔分别在１３００和１４００℃对Ａ１２０３一Ａ１２０３进行焊接，认为在１３００℃焊接时，虽经长时间保温，焊接效果不理想，在１４００℃、保温２０ｍｉｎ，焊缝消失。

如上所述，氧化铝陶瓷一般采用直接焊接，对于高纯度氧化铝陶瓷一般采用低纯氧化铝或玻璃做中间层，目前也有人用溶胶凝胶方法制备的氧化铝做中间层。

目前微波焊接腔体的微波场的均匀区域还不大，改进微波场的分布，提高加热均匀区域，可以提高材料的焊接尺寸。

同时增加焊接材料的种类。

７激光焊接激光焊接陶瓷是近年来发展的新技术，Ｍｉｔｔｗｅｉｄａ公司开发了双束激光焊接陶瓷方法，其原理见图９。

图９双束激光焊接示意图¨引Ｆｉｇ．９Ｓｋｄ【ｃｈｏｆｄｏｕｂｌｅｌａｓｅｒｗｅｌｄｉＩｌｇ采用高能束激光焊方法，可快速加热和冷却，配以氮气筛的冷却和温度场调节，诱导和改善复合材料增强相和基体界面反应，而提高接头强度。

采用脉冲输入方式，可抑制界面反应，细化组织，减少缺陷，获得良好接头，在操作时对激光功率控制非常重要啪Ｊ。

用该法焊接的Ａｌ：Ｏ，陶瓷试样，激光焊接区细晶粒均匀，在电子显微镜下，可以看到晶粒呈片瓦结构，防止了裂纹的产生和扩展。

经１００次反复加热和冷却后，试样的弯曲强度无明显下降。

８结语随着Ａｌ，Ｏ，陶瓷的广泛应用，其连接技术已成为世界各国集中研究的重点，其中钎焊与扩散连接是最常用的连接方法，但都有其局限性。

例如：用钎焊方法形成的陶瓷接头的高温性能和抗氧化性能较差；钎焊的界面反应机理现在还处于试验阶段，缺乏系统性和理论性。

哈尔滨工业大学科技成果——工模具表面的液中放
电沉积陶瓷层技术
主要研究内容
表面涂层技术的可贵之处在于：可用极少量材料起到大量、昂贵的整体材料所难以达到的效果，提高材料的综合性能，并显著地降低产品的制造成本。

由于电火花加工机床已经成为工模具车间的必备设备，因此如果能在普通电火花成型机床上，利用放电沉积原理对导电工件材料沉积陶瓷层，必将成为一种极具应用潜力和经济价值的方法。

使用含有Ti、TiC、W、WC等粉末的压铸或烧结电极和普通的煤油基工作液，在普通电火花加工机床上，利用放电过程中粉末材料与工作液中的碳原子所产生的物理、化学反应，在工件表面沉积TiC、WC等陶瓷材料，通过控制放电时间和放电参数得到不同厚度、不同性能的陶瓷层。

该方法无需专用设备，是一种高性能、低成本的陶瓷层生成技术，而且可以方便地实现不同点位的局部强化。

哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所系统地研究了该方法的基本原理、电极制备以及工艺规律等。

在工具钢表面可以得到厚度为5-600μm的金属碳化物陶瓷层，使工件表面的硬度提高5倍以上，耐磨性提高7倍以上。

对高速钢车刀、钻头等的涂层刀具使用寿命实验表明，可提高刀具使用寿命2倍以上。

应用领域成果可应用于工具、模具（如车刀、钻头、冲模）等的表面改性以及功能器件的局部强化等方面。

合作方式技术转让。

哈尔滨工业大学科技成果——高性能纳米结构陶瓷
涂层材料
主要研究内容
由于普通纳米粉尺寸小、质量轻，易被气流吹散或被高温火焰烧蚀掉，故不能直接用于热喷涂。

而纳米粉末的再造粒方法，能使具有纳米结构的粉末材料能够用于传统的热喷涂喷枪上，从而使制备出纳米结构热喷涂涂层成为可能。

采用纳米改性技术制造的热喷涂纳米结构涂层材料和涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。

这一在世界上首获实际应用的纳米结构涂层技术被美国海军称之为一项革命性的先进技术。

作为一种绿色环保技术，这种纳米陶瓷涂层是不仅可以替代有污染的电镀铬方法，而且可以大幅度提高材料的表面性能，大幅度提高机械装备的寿命。

技术特点
所开发出的纳米结构氧化铝/氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层有着高出3-10倍的耐磨性，高出1倍的抗蚀性，
高出1倍左右的断裂韧性，高出1-2倍的结合强度和抗热震性能，高出5-10倍的疲劳抗力。

应用领域
可广泛应用在机械设备、航空航天、石油、化工、造纸、发电、煤炭、汽车、船舶、冶金、刀具等诸多领域。

哈尔滨工业大学科技成果——陶瓷颗粒增强的复合钎料技术主要研究内容以往，在陶瓷钎焊过程中，比较常用的钎料是活性钎料，这种钎料具有优良的润湿性能、好的气密性能，但是由于陶瓷材料相对于钎料合金来说具有比较低的热膨胀系数，使得陶瓷材料和钎料之间存在较大的热膨胀系数差，导致钎焊后的陶瓷接头内部存在高的残余应力，从而使得钎焊后接头的力学性能比较差。

复合钎料钎焊方法，与普通的活性钎料钎焊相比，由于钎料中加入了增强相，使得钎料整体的热膨胀系数降低，从而使得钎料与陶瓷材料的热膨胀系数之间更加匹配，有利于降低钎焊后接头的残余应力。

陶瓷钎焊的陶瓷颗粒增强复合钎料不同于普通的活性钎料，它在钎料成分中复合入一定颗粒大小、一定体积比的陶瓷颗粒，用于降低钎料的热膨胀系数。

它也不同于以往的复合钎料，其应用陶瓷颗粒代替了短纤维材料，使得增强相陶瓷颗粒本身就可以和钎料基体发生反应，省去了增强相表面处理的过程。

该方法应经申请国家发明专利，专利名称为“用于陶瓷钎焊的陶瓷颗粒增强复合钎料”，专利申请号：03132462.2主要性能指标选择平均陶瓷颗粒直径为10µm的Al2O3陶瓷颗粒为增强相。

将分析纯的Ag粉、Cu粉、Ti粉按质量比（Ag72Cu28）97Ti3比例和体积比分别为5%、10%、15%、20%和25%的Al2O3陶瓷颗粒在丙酮中均匀混合调成为膏状。

将调制好的钎料涂在试验用纯度为96wt%Al2O3瓷陶瓷片上，陶瓷片母材在使用前用用1000号金相砂纸磨光并用丙酮清洗焊件的表面，用清水冲洗并吹干。

试件的尺寸为38×10×1mm 和10×3×1mm，试件组装和定位后，施加0.05MPa的压力。

钎焊温度为1000℃，真空度≥1.66×10-3torr，钎焊保温时间20min。

应用行业及产品陶瓷钎焊领域。

市场分析由于陶瓷材料是目前广泛应用的一种结构功能材料，因而能够钎焊陶瓷并获得较好质量的钎焊材料有比较大的应用前景。

科技成果——耐磨耐蚀金属陶瓷复合材料及连
接技术
技术开发单位东北大学
成果简介
针对冶金、石化和轨道交通等领域中高温磨损、冲击、腐蚀的工况环境，提出采用复合结构设计，即保证具有高的耐磨性，又使得整体构件具有足够高的强韧性、耐高温性能和耐腐蚀性能。

金属陶瓷具有硬度高、密度低、耐高温及耐磨损等优良的力学性能和物理性能, 是一种很有发展前途的结构材料。

开发研制出耐磨耐蚀金属陶瓷复合材料及连接技术，充分利用金属陶瓷复合材料具有的高硬度、高耐磨性、耐高温和耐腐蚀性等优良性能，同时发挥合金钢、不锈钢基体的强韧性，使获得的整体复合材料构件的抗弯强度和断裂韧性大幅度提高，使用寿命达到或接近国外同类产品先进水平。

开发研制出耐磨耐蚀金属陶瓷复合材料及连接技术，充分利用金属陶瓷复合材料具有的高硬度、高耐磨性、耐高温和耐腐蚀性等优良性能，同时发挥合金钢、不锈钢基体的强韧性，使获得的整体复合材料构件的抗弯强度和断裂韧性大幅度提高，使用寿命达到或接近国外同类产品先进水平。

应用情况
本项目已经开发成为产品，目前正在推广使用。

主要应用在冶金、石化和轨道交通等领域中高温磨损、冲击、腐蚀的工况环境下的关键构件。

市场前景转化后可以带来较大的经济效益。

合作方式合作开发。

国内先进陶瓷研究机构介绍一、先进陶瓷及其研究机构简介我国先进陶瓷材料的研究主要起始于20世纪70年代，以中科院上海硅酸盐研究所、清华大学、山东工陶院、天津大学为代表的一批高校和研究院所率先开展结构陶瓷、功能陶瓷的基础理论与制备技术的研究。

早期科研成果的产业化包括高压钠灯透明氧化铝陶瓷灯管、氮化硅陶瓷刀具、透波石英陶瓷头罩等。

特别是在“七五”和“八五”期间，以高效发动机和燃汽轮机中使用的高温陶瓷关键零部件开发为导向的陶瓷材料的组成设计、晶界工程、净尺寸陶瓷成型、气压烧结、热压烧结、热等静压烧结技术的研发。

当时参与“发动机用先进陶瓷”这一国家层面的重大联合攻关项目的单位有清华大学、上海硅酸盐研究所、山东工陶院、天津大学、浙江大学、华南理工大学、中国建筑材料科学研究总院、上海内燃机研究所等单位。

研究的课题包括:1）气氛加压烧结Si3N4，界面特性；2）柴油机ZrO2陶瓷针阀研制；3）氮化硅陶瓷镶块材料的烧结制备；4）氮化硅陶瓷电热塞研制；5）增压器陶瓷涡轮转子注射成型工艺研究；6）绝热发动机用增韧莫来石复相陶瓷部件；7）压滤成型陶瓷涡轮转子的研究；8）Mg-PSZ陶瓷材料及发动机用陶瓷材料；9）Sialon陶瓷气门的制备研究；10）Si3N4陶瓷与钢的连接技术研究；11）检测陶瓷零件的微焦点X-CT实验系统；12）陶瓷的无损检测与力学行为分析。

正是上述这一历时数年的先进陶瓷大项目大工程，为我国先进陶瓷的研究与发展培育了人才队伍，奠定了技术与工艺基础。

目前，国内已有100多所大学和科研院所从事先进陶瓷材料的研究，其中包括一批国家级陶瓷重点实验室或工程研究中心，如清华大学“新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室”、中科院上硅所“高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室”、武汉理工大学“材料复合新技术国家重点实验室”、山东工陶院的“国家工业陶瓷工程技术研究中心”。

先进陶瓷材料研究的主要大学还包括：哈尔滨工业大学、东华大学、湖南大学、浙江大学、西北工业大学、西安交通大学、景德镇陶瓷大学、长沙理工大学、广东工业大学、国防科技大学、江苏大学、天津大学、东北大学、郑州大学、北方民族大学、映西科技大学、武汉科技大学、华南理工大学、华中科技大学、北京大学、上海大学、海南大学、山东理工大学、昆明理工大学、辽宁科技大学、厦门大学、合肥工业大学、北京航天航空大学、北京理工大学、北京科技大学、湖南人文科技学院、湖北工业大学、西南交通大学、大连海事大学、上海海事大学、江苏师范大学、厦门理工学院、红河学院、合肥学院、铜仁学院等。