釬焊氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的組織與性能研究

□呂謙

重慶大學 材料科學與工程學院 重慶 400044

1 ZTA陶瓷概述

ZTA陶瓷是氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，具有高熔點、高硬度、耐酸堿腐蝕、韌性較好的特點，是高溫結構陶瓷中應用潛力較大的材料之一。其中10%～20%的氧化鋯含量可有效抑制晶體生長過程中氧化鋁的酸性［1-2］，提高材料的硬度。氧化鋯含量為12%～14%時，ZTA陶瓷的強度和硬度都達到最大值［3-4］。高度分散的氧化鋯粉末含量達到20%時，熱壓燒結ZTA陶瓷機械性能最好，強度相變過程中形成微裂紋的影響比對裂紋擴展阻力的影響明顯，盡管存在壓應力，但ZTA陶瓷的抗斷裂性能減?。?］。

在實際應用中，由于ZTA陶瓷材料加工性差，需要將簡單構件進行連接才能制備出滿足要求的復雜構件，由此，優良焊接接頭的制備成為制約ZTA陶瓷進一步應用的關鍵問題之一。

目前，ZTA陶瓷連接主要采用釬焊方法，相比于真空釬焊對焊接真空度的高要求，以及昂貴的設備成本，空氣釬焊法在大氣條件下連接，操作簡單、成本低，對于ZTA陶瓷在燃料電池及其它電子器件制備中的應用具有顯著的優勢［6-7］。

筆者研究采用銀銅釬料空氣釬焊ZTA陶瓷，分析釬焊接頭微觀組織特征，確定釬焊接頭相組成及典型界面結構，同時研究釬焊工藝參數對ZTA陶瓷空氣釬焊接頭微觀組織與力學性能的影響規律。

2 試驗材料設備與方法

2.1 試驗材料設備

試驗材料選用含氧化鋯質量分數為20%的ZTA陶瓷、銀-18銅粉末釬料。

設備采用內圓切割機，金剛石砂輪盤 （600目和1 000 目，對應 23 μm 和 13 μm）、超聲波清洗器、箱式馬弗爐、掃描電鏡（附帶能譜儀）、電子萬能試驗機。

2.2 試驗方法

使用內圓切割機將ZTA陶瓷切成斷面為8 mm×8 mm樣件，之后用600目和1 000目的金剛石砂輪盤打磨至表面平整無明顯劃痕，使用前經過無水乙醇在超聲波儀中清洗掉表面粉塵和污垢，最后將待焊的ZTA陶瓷和特定釬料裝配完成后放入馬弗爐中進行加熱及保溫。

樣件取出后，采用掃描電鏡及其附帶的能譜儀進行釬焊接頭界面、斷口組織形貌、釬焊接頭組成元素分析等。

在試驗中，改變兩個主要釬焊工藝參數，即釬焊溫度和保溫時間，采用微機控制的電子萬能試驗機，以及專用夾具對釬焊好的樣件進行抗剪強度測試，通過所得試驗數據，總結工藝參數與釬焊接頭抗剪強度變化的關系。

3 不同條件下釬焊接頭組織及性能分析

3.1 釬焊溫度對接頭組織形貌的影響

觀察釬焊溫度分別為1 050℃、1 025℃、1 075℃，保溫時間均為5 min的三個樣件，圖1～圖3所示為三個釬焊溫度下樣件釬焊接頭顯微組織照片。

由圖1～圖3可以看出，兩側母材中白色呈點狀分布的為氧化鋯，大面積黑色的為氧化鋁，在釬焊接頭中廣泛分布的白色基底為銀，在白色基底上彌散分布的淺灰色點狀部分為氧化銅，母材與釬料中間夾的深灰色薄層為兩者的反應產物CuAl2O4［8］，從ZTA陶瓷與接頭界面延伸到接頭中央以銀為主，同時有少量的氧化銅存在。

▲圖1 釬焊溫度1 025℃下釬焊接頭顯微組織照片

▲圖2 釬焊溫度1 050℃下釬焊接頭顯微組織照片

▲圖3 釬焊溫度1 075℃下釬焊接頭顯微組織照片

在釬焊溫度為1 025℃時，由于溫度偏低，釬料流動困難，不易補足縫隙，原因是潤濕釬料中的氧化物顆粒和附近的ZTA陶瓷表面難以向遠處繼續鋪展。接頭界面處非常平直，界面處釬料與母材的反應產物量比較少。

在釬焊溫度為1 050℃時，釬料與母材的界面變得參差不齊，母材邊界曲折地插入釬料中且生成了較為連續的反應物層，即高倍掃描下深灰色部分。

在釬焊溫度為1 075℃時，釬料黏度在降低的同時流動性增強了，熔融釬料得以更好地進行間隙填充和潤濕，最終使釬焊焊縫更加致密緊實，在釬料與母材的兩側界面處都清晰可見連續的氧化銅層［9］。

3.2 保溫時間對釬焊接頭組織的影響

控制釬焊溫度1 050℃不變，保溫時間由2 min逐步增加至10 min，不同保溫時間下的接頭顯微組織照片如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，在保溫2 min時，釬料與母材界面基本無明顯反應物存在，母材界面平直。

由圖2可以看出，在保溫5 min時，母材界面略顯曲折，母材/接頭界面有明顯的連續反應物層，呈相對連續的顆粒狀分布在近ZTA陶瓷界面處，其含量較多，而氧化銅呈淺灰色帶狀沿著界面延伸。

▲圖4 保溫時間2 min時釬焊接頭顯微組織照片

▲圖5 保溫時間10 min時釬焊接頭顯微組織照片

由圖5可以看出，在保溫10 min時，其兩側母材與釬料界面間均有反應物層存在，相比于圖2，保溫10 min時反應物層厚度略有增大。

根據以上觀察，可得出結論：保溫時間的延長有高溫反應程度加深的趨勢，即母材或一些反應相參與反應的量增多，體現在反應物層的厚度增大，母材邊界更加曲折，反應物層連續性更好；而在保溫時間較短的情況下，母材邊界更加平直。

3.3 不同工藝參數對釬焊接頭力學性能影響

樣件經剪切試驗后，計算每個釬焊接頭抗剪切強度，計算結果如圖6、圖7所示。圖6、圖7分別反映了釬焊溫度和保溫時間的改變與釬焊接頭剪切強度的對應關系。

由圖6、圖7中數據可總結出兩條規律。

第一，在釬焊溫度1 050℃之前，隨著釬焊溫度的提升，釬焊接頭的剪切強度有明顯增強，這從前文所呈現的顯微組織形貌可推測出原因，即釬料與母材界面存在的反應物層能更好地實現釬料與母材的連接。但在釬焊溫度由1 050℃再次上升至1 075℃，保溫時間不變時，釬焊接頭剪切強度有減弱，這說明釬焊接頭剪切強度與釬焊溫度并不是呈線性關系。當釬焊接頭剪切強度達到最大值后釬焊溫度再上升反而成為不利因素，這也可由顯微組織照片分析得出原因，即釬焊溫度升高后，化學反應更易發生，反應物含量更多且更連續，在連續層中容易產生裂紋，并且一旦出現裂紋，在連續層上的擴展十分迅速，也就導致了釬焊接頭整體剪切強度的降低。

第二，隨著保溫時間的延長，釬焊接頭剪切強度呈上升趨勢，具體可見在釬焊溫度1 050時，釬焊接頭剪切強度與保溫時間的關系是10 min＞5 min＞2 min，這是由于保溫時間短，釬料與母材界面結合相對較弱，因而釬焊接頭剪切強度低。

為了分辨剪切斷口形態，以及判斷斷裂發生的位置，筆者還做了樣件斷口分析，其結果如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，亮白色顆粒狀或小塊狀分布為銀，團絮狀廣泛彌散分布的是氧化銅，以及氧化銅與母材反應物，反應物周圍常常伴隨有小面積的銀一同出現。整體氧化銅相的分布形態被反應物割裂而變得間斷。

由斷口二次顯微組織照片可看出，斷裂主要發生在氧化銅相和反應物相上［10］。

▲圖6 保溫5 min時釬焊溫度與釬焊接頭剪切強度關系

▲圖7 釬焊溫度1050℃時保溫時間與釬焊接頭剪切強度關系

▲圖8 斷口二次顯微組織照片

▲圖9 斷口背散射顯微組織照片

4 結論

（1）由釬焊接頭顯微組織照片可總結出：釬焊接頭中母材大面積黑色基底為氧化鋁，其上白色點狀分布的為氧化鋯，釬料中的銅在高溫下氧化成為淺灰色連續的氧化銅相，反應物顏色比氧化銅略深，局部連續分布。

（2）釬焊溫度的升高有利于反應趨向劇烈，保溫時間延長有利于反應程度加深，兩者皆會導致反應物CuAl2O4厚度增大，連續性變得明顯。

（3）釬焊溫度升高，在一定范圍內會有利于接頭剪切強度的提升。保溫時間的延長，同樣會使接頭剪切強度得到改善。其中，釬焊溫度為1 050℃、保溫時間為10 min時的樣件剪切強度最優，可達39.90 MPa。經斷口顯微組織掃描發現，其斷裂主要發生在氧化銅和反應物相上。