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第7章 先进材料的焊接 7.1 先进材料的分类及性能特点 7.1.1 先进材料的分类 7.1.2 先进材料的性能特点 7.2 陶瓷材料与金属的焊接 7.2.1 陶瓷的分类及性能 7.1.2 陶瓷与金属的焊接性分析 7.2.3 陶瓷与金属的焊接工艺特点 7.3 金属间化合物的焊接 7.3.1 金属间化合物的分类及性能 7.3.2 金属间化合物的焊接性分析 7.3.3 金属间化合物的焊接工艺特点 7.4 金属基复合材料的焊接 7.4.1 金属基复合材料的分类及性能 7.4.2 金属基复合材料的焊接性分析 7.4.3 金属基复合材料的焊接工艺特点 * * 先进材料 是指采用先进技术新近开 发或正在开发的具有独特 性能和特殊用途的材料 新型的 金属 结构 材料 先进 陶瓷 材料 金属间化 合物和复合 材料的开发 与应用 先进陶 瓷材料 金属间 化合物 复合 材料 先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无 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 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 的物质，按一定方式、比例及分 布方式组合 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。 它不遵循传统的化合价规律，具有金属的特 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 位置，呈有序排列。 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。 与金属材料相比，陶瓷材料的热膨胀系数比较低， 一般在/K的范围；熔点高很多，有些陶瓷 可在2000-3000℃的高温下工作且保持室温时的强度， 而大多数金属在1000℃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 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 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。 陶 瓷 的 分 类 结构 陶瓷 功能 陶瓷 电子陶瓷 高温陶瓷 光学陶瓷 高硬度陶瓷等 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 氧化铝部分稳定 氧化锆陶瓷 氮化硅、碳化硅 陶瓷与 金属的 焊接性 分析 焊接裂纹 界面润湿性差 界面反应 焊 接 裂 纹 产生 原因 避免 措施 陶瓷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， 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。 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 用性能的条件下，尽可能使两者的线膨胀系 数相差最小； 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， 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 陶瓷与金属的接头结构。 界 面 润 湿 性 差 产生 原因 改善 方法 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 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。 陶瓷表面 的金属化 处理 活性金属 化法 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 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 方法称为活性金属化法。 Mo-Mn法 蒸发法 喷溅法 离子注入法等 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 金属之间是通过过渡层(扩散层或反应层)而焊接结合的。两种 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。 表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 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： 所形成的 陶瓷与金 属的焊接 接头，必 须具有较 高的强度 焊接接 头必须 具有真 空的气 密性 接头残余应力 应最小，焊接 接头在使用过 程中应具有耐 热、耐蚀和热 稳定性能 焊接工艺 应尽可能 简化，工 艺过程稳 定，生产 成本低 钎焊 扩散 焊 电子 束焊 陶瓷金属化 法钎焊工艺 活性金属化 法钎焊工艺 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 尺寸和形状受到真空室限制。 采用添加活性元素的钎料 直接对陶瓷与金属进行钎焊 在陶瓷表面进行合金化 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 焊件使局部加热、熔化而将工