陶瓷/金屬連接界面殘余應力緩解策略研究

陳本樂，王星星，何 鵬，彭 進，封小松，陳玉華，徐 鍇，倪增磊，凌自成，原志鵬，方乃文，范亞磊，李 紅

1. 華北水利水電大學 河南高效特種綠色焊接國際聯合實驗室，河南 鄭州 450045

2. 哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245

4. 南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌 330063

5. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

6. 中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016

7. 北京工業大學 材料與制造學部，北京 100124

0 前言

陶瓷/金屬因其具有良好的硬度、耐磨性和高化學穩定性，成為制造業中不可或缺的材料[1]。陶瓷/金屬復合材料在功能部件、防腐蝕和熱保護系統及輕量化結構的制造中發揮著不可替代的作用，例如，航天飛行器的發動機和保護系統等領域[2-3]。在醫學領域，鈦合金與生物陶瓷復合材料[4]在牙科和骨科也有重要應用，如金屬Ti 和Al2O3陶瓷的連接[5]。在電力電子領域，陶瓷/金屬釬焊有廣泛應用，活性金屬釬焊法連接Si3N4陶瓷/Cu的IGBT模塊已應用于汽車電力控制[6]。在汽車工業領域，柴油發動機氣門需要與凸輪高頻摩擦，也涉及到陶瓷/金屬連接[7]。但由于陶瓷與金屬的化學鍵型、理化性質及微觀結構等方面存在較大差異，普通釬料難以實現對二者同時潤濕[8]。金屬與陶瓷焊接后，在接頭冷卻過程中，由于母材理化性能不同，熱膨脹系數和彈性模量差異可導致接頭產生過多殘余應力，損害構件性能[9]，甚至導致微裂紋產生[10]。隨著構件結構尺寸和應用條件不斷提高，對接頭強度和可靠性要求也越來越高。

緩解殘余應力一直是陶瓷/金屬釬焊研究難點。目前緩解殘余應力主要方法有4種：（1）工藝參數優化。通過調節釬焊溫度和保溫時間來緩解接頭殘余應力；（2）施加中間層[11]。金屬箔、碳材料和泡沫層可承受載荷，抑制母材基體變形，減小金屬到陶瓷線膨脹系數梯度，緩解殘余應力；（3）復合釬料[12]。在普通釬料中加入一定體積比的高溫合金、碳纖維及陶瓷顆粒作為增加相，使釬料具有良好填縫能力，得到接頭具有良好高溫強度和抗沖擊性能；（4）表面結構設計[13]。通過鉆探、腐蝕、預氧化和高溫滲透對陶瓷或復合材料進行表面結構設計，可增加釬縫連接效果，從而緩解釬縫中的殘余應力集中。

目前有關殘余應力緩解途徑主要聚焦于某種特定方法，相關研究較為零散，未見多種方法的系統評述。因此，本研究針對工藝參數優化、施加中間層、復合釬料和表面結構設計4種主要方法，系統綜述國內外有關緩解殘余應力途徑相關研究報道，提出目前緩解殘余應力研究的不足和未來發展方向，為相關領域工程研究和技術發展提供參考。

1 陶瓷/金屬連接界面殘余應力緩解研究總體概況

縱觀國內外學者的研究，多以工藝參數優化、施加中間層、復合釬料和表面結構設計為主。據不完全統計，僅國內發表的有關殘余應力緩解途徑的研究成果論文已超過 100 篇（包括期刊、會議、學位論文），具有代表性的主要有哈爾濱工業大學宋曉國課題組、大連理工大學董紅剛課題組、北京科技大學黃繼華課題組及北京航空航天大學郭偉課題組。根據緩解方法不同，將具有代表性的研究成果歸納、總結，如表1所示。

表1 殘余應力緩解途徑和主要研究內容Table 1 Residual stress relief approaches and main research contents

2 陶瓷/金屬連接界面殘余應力緩解研究現狀

為緩解接頭中殘余應力，國內外學者做了大量研究。目前已報道的主要緩解方法是優化工藝參數、施加中間層、復合釬料和表面結構設計。陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數、彈性模量、屈服極限、泊松比等物理力學性能存在較大差異，焊接接頭界面處易產生殘余應力[27]。目前這四種方法對于緩解陶瓷/金屬接頭中殘余應力具有良好效果，其應用方面也取得豐碩成果。

2.1 工藝參數優化

為緩解殘余應力，改善釬焊質量和接頭力學性能，國內外學者圍繞焊接溫度、升溫速度、保溫時間和冷卻速度等參數進行優化，探究最佳試驗參數。

Barrena M I 等[28]通過試驗檢測90MnCrV8 和WC-10Co 連接接頭殘余應力并對接頭力學性能和微觀組織進行剖析。研究證明，增加釬焊時間并不總是能提高釬焊接頭抗剪能力，釬焊時間達到峰值后，隨溫度增加，接頭強度反而降低，在8～12 min，能獲得最大剪切強度和較小殘余應力接頭。Wang等[29]采用等離子燒結法制備Ti（C7，N3）/TiB2/WC 金屬陶瓷材料，金屬/陶瓷材料在溫度為1 550 ℃，TiB2和WC 體積分數分別為20%、15%時的力學性能變化和保持期如圖1所示。刀具材料力學性能隨著保溫時間延長而先升高后降低，當保溫時間為30 min時，刀具材料抗彎強度、硬度和斷裂韌性均達到最大值。該方法通過調控相關參數研究釬焊溫度和保溫時間對接頭殘余應力的影響，并且找出添加物的最佳體積分數，結果表明，加入TiB2和WC能有效緩解接頭殘余應力集中。

圖1 力學性能的變化及其保持期[28]Fig.1 Changes in mechanical properties and their retention period[28]

Jiang H 等[30]研究不同釬焊溫度和保溫時間下AlON/Ti2AlNb 接頭剪切強度和微觀組織結構。結果表明，隨著釬焊溫度不斷提高，接頭強度先增大后減小。在低釬焊溫度下，釬料與AlON反應不足，導致接頭強度不高。當釬焊溫度升高時，反應層變厚，強度增加。當溫度再次升高時，釬料和母材之間熱膨脹系數不匹配，產生殘余應力。隨著保溫時間延長，釬料流量增大，釬縫縮短，接頭強度升高。

2.2 施加中間層

為保證焊接件的強度和釬焊過程中陶瓷/金屬能夠完美結合，在其中間加入緩解殘余應力的過渡層，是應用廣泛、效果良好的方法之一。

吳銘方等[31]選用Cu、Nb、Mo箔作為中間層，在特定的焊接參數條件下對Ti（C，N）基金屬陶瓷/40Cr 鋼進行釬焊試驗，結果表明相對于其他元素，Cu中間層可有效釋放接頭殘余應力，防止接頭產生裂紋，而Nb、Mo中間層緩解殘余應力能力較差。任艷紅等[32]認為金屬泡沫可用作中間層材料，有效緩解接頭殘余應力，并且存在一個最佳的泡沫層厚度。金柏希等[33]在釬料中引入與Al2O3陶瓷熱膨脹系數接近的難熔金屬中間層，可改善接頭應力分布及減少應力集中。此外，難熔金屬Ta 箔和Nb 箔具有較好的塑性和延展性，可抑制接頭微裂紋擴展，有利于提高接頭力學性能。根據常用釬焊金屬選擇和搭配，常用塑性較好的Cu箔、Ni箔、Mo箔作為中間層輔助釬焊。Guo 等[34]發現泡沫Ni 厚度對抗剪強度影響較大，當泡沫Ni厚度為0.2 mm時，平均抗剪強度高達180 MPa（見圖2a）。在釬焊和高低溫交替環境中，加入泡沫Ni層作為緩沖層能緩解接頭殘余應力，顯著提高熱循環壽命。施加0.2 mm泡沫Ni 釬焊Si3N4陶瓷和Invar 合金時，釬焊接頭斷裂在釬縫處，表明泡沫Ni可降低殘余熱應力。

圖2 泡沫鎳厚度對Si3N4/Invar釬焊接頭剪切強度和熱循環失效的影響[34]Fig.2 Effect of nickel foam thickness on shear strength and thermal cycle failure of Si3N4/Invar brazing joints[34]

李濤[35]發現采用表面覆有石墨的泡沫銅中間層，對接頭殘余應力緩解效果最好，通過增大釬縫塑性變形能力和減小熱膨脹系數失配聯合機制，降低接頭殘余應力。王永雷[36]認為連接層中增強相引入會改變接頭中熱應力大小以及連接層中應力分布，但不會改變母材中應力分布特點。Cárdenas等[37]在釬焊過程將Si3N4/Cu-Zn/Nb/Cu-Zn/AISI-304 組合成夾層結構，Si3N4陶瓷制備過程中添加劑用量對結合過程中Si3N4分解速率有直接影響。關于Si3N4陶瓷的研究，Guo等[38]研究設計了一種新型Mo/Ag 復合中間層用于Si3N4和316L 的釬焊，采用半圓柱形開槽設計Mo中間層可將殘余應力從Si3N4層轉移到316L層，從而降低Si3N4層殘余應力。Qin等[23]在TiZrNiCu 釬料中添加Cu/Mo 作為復合中間層，對C/C復合材料與TC4合金進行真空釬焊，結果表明，Cu/Mo 中間層既有效緩解了殘余應力還提高了接頭抗剪切能力。王斌[39]采用TiCo 高溫釬料進行釬焊C/SiC和Nb，碳中間層增加TiC顆粒添加量，通過力學性能測試發現，接頭強度大幅改善，最大剪切強度為144.4 MPa，比純TiCo 釬料的釬焊接頭強度提高47.3%。

Park 等[17]采用相同方法對Si3N4陶瓷和Ni 合金進行釬焊，并對中間層層數進行調控，結果表明隨著層數增加，釬焊接頭殘余應力緩解效果增加。但由于層數增加，加工工藝變得更加復雜，甚至反向影響釬焊界面性能。楊雄等[18]用有限元方法分析Al2O3陶瓷與45 鋼擴散焊接殘余應力分布，模擬不同中間層Cu、Ti、Ni 及這三種材料自由組合成的復合中間層對殘余應力分布的影響規律。結果表明，采用單層中間層時，Cu中間層對于殘余應力緩解效果更加明顯；復合中間層緩解殘余應力能力優于單層，不同厚度復合材料對殘余應力影響不盡相同。Ferrante M 等[20]開展了類似模擬分析，證實了楊雄等人的觀點。朱松等[40]采用有限元法分析Ni-Cr合金與陶瓷連接冷卻過程中界面形成的殘余應力及其分布特征。結果表明，Ni-Cr 合金與陶瓷存在較大線膨脹系數差，采用鈦合金中間層能夠緩解殘余應力，但試驗并未探究出中間層最優參數。何鵬等[41]提出中間層殘余應力因子Rf和中間層厚度因子Tf概念，盡量選擇Rf、Tf較小的中間層，同時中間層厚度應在保證形成充分物理接觸前提下選取較小厚度，接頭殘余應力的緩解效果更加顯著。

2.3 復合釬料

為緩解釬焊接頭殘余應力，在普通釬料中添加一定體積比的各種形態增強相，如高溫合金、碳纖維和陶瓷顆粒。該類釬料不僅具有良好的填縫能力，得到的接頭強度和力學性能也更佳。

史康橋[42]采用在釬料中加入多孔金屬泡沫Cu形成AgCu/泡沫Cu/AgCu復合釬料對其進行釬焊連接，泡沫Cu 的加入使得釬縫塑性變形能力更強，有效緩解接頭中殘余應力，并且使殘余應力峰值向釬縫中移動。李如月[12]使用（Ag72Cu28）97Ti3+5vol.%Mop復合釬料釬焊Si3N4/316L，接頭強度隨Ag厚度增加呈先升后降趨勢，達到進一步緩解接頭殘余應力作用。Song 等[8]在Ag-Cu-Ti 釬料中添加Si3N4p用于釬焊Si3N4陶瓷/TiAl 合金，結果表明接頭中形成的Ti5Si3p與TiNp組織的降低Si3N4與TiAl之間熱膨脹系數和彈性模量不匹配程度，顯著降低接頭殘余應力。陶瓷與金屬真空釬焊是一種相對簡單和經濟的選擇。Wang 等[43]采用Ag-TiH2復合釬料真空釬焊ZrO2陶瓷與GH4169 合金。研究表明，釬料中Ti 以及GH4169 合金中溶解的Ni 在ZrO2基體附近形成Ti2O+Ni2Ti4O 雙反應層，這對陶瓷/金屬結合至關重要。而當TiH2含量超過15%，由于連續TiNi反應層對GH4169合金充分溶解到釬料中的阻擋作用，Ni2Ti4O 層消失，形成厚Ti2O 層。當釬焊溫度升高或保溫時間延長時，過量溶解的Ni完全消耗Ti2O層，形成厚而脆的Ni2Ti4O層。單一Ti2O層或Ni2Ti4O層都會導致釬焊接頭剪切強度降低。ZrO2/Ag-TiH2/GH4169 釬焊過程如圖3 所示。釬焊接頭界面形成過程與復合釬料Ag-TiH2中TiH2含量、釬焊溫度和保溫時間密切相關。

圖3 低TiH2含量下的ZrO2/Ag-TiH2/GH4169釬焊接頭[43]Fig.3 ZrO2/Ag-TiH2/GH4169 brazed joint with low TiH2 content[43]

楊保琳[44]設計Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu 軟性復合中間層釬料釬焊SiC/Kovar，有效抑制母材溶解及釬縫中脆性化合物含量。復合中間層釬焊接頭殘余應力拱形度相對較為平緩，應力峰值為171 MPa，相比，Ag-Cu-Ti釬料接頭應力峰值降低59%。Blugan等[22]在用于陶瓷/金屬連接活性金屬釬料合金中引入SiC顆粒作為增強體。在室溫和高溫下研究釬料顆粒增強對陶瓷/金屬接頭抗彎強度影響。實驗結果表明接頭內殘余應力得到松弛，抗剪切能力得到提升。呂金玲等[45]依次采用AlN/AgCuTi 復合釬料、TiN/AgCuTi 復合釬料和TiN+Al/AgCuTi 復合釬料連接AlN陶瓷與無氧Cu，復合釬料作用是減少反應層厚度，提高接頭性能和緩解殘余應力。Halbig等[24]同樣在釬料中添加SiC 活性金屬，在釬焊過程中不僅能潤濕母材，還可得到殘余應力較小的釬焊接頭，釬料中含有43vol.% SiC時其熱膨脹系數降低45%～60%。何華敏等[46]設計了一種新型（Au79Ni17Pd4）96Ti4（wt.%）高溫釬料，試驗表明，隨著Pd含量增加，接頭內Pd2Si 體積分數增大，對降低接頭內殘余應力和提高接頭高溫強度均有助益。李雅范等[47]在釬料中加入Al2O3顆粒，發現Al2O3含量變化會導致釬焊接頭殘余應力隨之變化。

楊佳[48]采用AuCuTi 釬料進行焊接，后通過添加Mo 中間層對合金元素進行阻隔，同時緩解界面殘余應力。還通過向釬料中添加B元素進一步提高接頭使用溫度，且該復合釬料對接頭強度有著明顯提升作用。Gui等[49]采用（Ti-Zr-Cu-Ni）+W復合釬料釬焊Cf/SiC 復合材料與TC4合金，發現復合釬料反應生成TiC、Ti3SiC2、Ti5Si3等反應相可有效緩解接頭殘余應力。He 等[50]和Wang 等[51]采用（Ag-Cu-Ti）+Mo、（Ag-Cu-Ti）+TiN 復合釬料對Si3N4陶瓷/42CrMo 鋼進行釬焊，結果表明適當添加高溫合金能起到降低陶瓷/金屬熱膨脹系數和緩解釬焊接頭殘余應力效果。劉佳音等人[52]設計了Ag-Cu-Ti（+Mop）/Cu/Ag-Cu 復合釬料釬焊多孔Si3N4陶瓷與Invar合金，發現多孔陶瓷在孔隙及搭接棱角位置存在明顯應力集中現象，反應層一方面提高子模型整體熱應力，另一方面讓模型內部應力更加均勻。含有Mo 顆粒釬料具有一定承載能力，對接頭性能產生有利影響。

Qin[53]選用平均尺寸為4.6 μm 的SiC 顆粒增強AgCuTi，用于TC4合金和C/C 復合材料釬焊，使用15%SiC 讓其分布在接頭中，與釬焊合金中Ti 元素形成反應界面（見圖4a），保證釬焊合金與顆粒之間有效結合，接頭強度從22 MPa 提高到29 MPa。Wang[54]選用TiC 顆粒增強AgTi 釬料釬焊C/C 復合材料和GH3044合金。TiC可有效地與Ti結合（見圖4b），當TiC 的含量增加到24vol.%時，接合強度從40 MPa升至67.2 MPa。有限元計算表明，殘余應力降低近20.1%。值得注意的是，微米級增強顆粒分布均勻性有限，增強效果與納米級相存在差距。Zhou[55]使用納米級Al2O3顆粒增強AgCuTi 釬料釬焊C/C 和TC4，Al2O3顆粒均勻分布在接頭中（見圖4c），在接頭中穩定存在。當添加量為27.8wt.%時，接合強度可達0.3 MPa?；谙嗤呗?，TiN粒子和B4C 顆粒增強釬料可達到良好的應力消除效果（見圖4d）。

圖4 陶瓷合金接頭的顯微組織釬焊顆粒增強釬焊合金[53-55]Fig.4 Microstructure of a ceramic alloy joint brazed particle rein‐forced brazed alloy[53-55]

Feng[56]為解決添加增強材料可能會削弱釬縫變形能力的問題，設計具有“刺猬狀”增強簇的AgCu基復合釬料。采用AgCu+NbB2復合釬料釬焊ZrB2-SiC 陶瓷和TC4-TiBw復合材料，研究發現，隨著NbB2含量增加，界面層厚度繼續減小，在NbB2含量為2%時接合強度最大，如圖5所示。

圖5 不同含量的NbB2對應的接頭剪切強度[56]Fig.5 Shear strength of joints corresponding to different content of NbB2[56]

對于添加顆粒釬焊合金，顆粒與釬焊合金之間界面將承擔部分應力，接頭應力集中將大大緩解。顆粒相存在延長裂縫擴展路徑，可有效提高接頭強度。

2.4 表面結構設計

陶瓷與金屬的性質在界面處發生變化，界面處應力集中較高。由于陶瓷側反應層多為脆性化合物，成為接頭薄弱部分，該部分易發生斷裂。陶瓷與金屬接觸表面在釬焊后，溫度冷卻過程中會產生界面殘余應力。通過設計陶瓷或者陶瓷基復合材料，在母材表面加工成彎曲面或者更為復雜的界面。在反應過程中增加連接面積，既能使母材得到更好的潤濕，也能實現陶瓷/金屬性能過渡。一般陶瓷表面結構設計主要有鉆探、腐蝕、預氧化、高溫滲透等類型。

Li[7]介紹一種通過飛秒激光表面加工改善YSZ和Ti6Al4V釬焊的方法。當加工速度為150 μm/s時，最高強度為95 MPa（比扁平YSZ/Ti2Al6V 接頭高4.2%）。研究發現，陶瓷側殘余應力分布呈非線性，通過對陶瓷表面加工，減小反應層中最大剪切應力，有助于提高接頭服役性能。Ba[57]設計SiCf/SiC刷狀表面結構來減少殘余應力和改善界面結合從而獲得堅固的SiCf/SiC 合金接頭。SiC 纖維在低溫下通過熱腐蝕暴露，形成SiC纖維增強AgCuTi的過渡層。過渡層取代原有板式反應層，有效增加連接面積，通過減少SiCf/SiC 與合金之間性能不匹配來降低殘余應力。從圖6a可以看出，隨著腐蝕時間的不斷增加，腐蝕深度越來越明顯。圖6b、6c 表明，SiC 纖維承受初級殘余應力，有效降低接頭應力。垂直纖維增強效果理論值與計算值如圖6d所示，隨著腐蝕深度增加，連接強度呈線性增加后緩慢增長，與剪切強度的實際變化相匹配。結果表明，腐蝕時間與接頭剪切強度有直接關系。

圖6 （a）腐蝕深度與時間的關系；（b）原始SiCf/SiC釬焊接頭殘余應力分布；（c）SiCf/SiC在400 ℃腐蝕45 min后釬焊接頭殘余應力分布；（d）腐蝕深度與剪切強度的關系；（e）原始SiCf/SiC釬焊接頭的斷裂形態；（f）SiCf/SiC在400 ℃腐蝕45 min后釬焊接頭斷裂形態[57]Fig.6 （a） Relationship between corrosion depth and time； Distribution of residual stress in the joint used （b） Original SiCf /SiC and （c） Composite material corroded at 400 ℃ for 45 min； （d） The estimated and actual relationship between corrosion depth and shear strength； The fracture mor‐phology of joints using （e） original SiCf /SiC and （f） SiCf /SiC were corroded at 400 ℃ for 45 min[57]

Yang[26]采用碳控復合材料表面改性方法，結合預氧化處理和碳納米管原位生長，在Nb-C/C 釬縫中形成增強界面結構。碳納米管生長可改善潤濕性，因其有利于液體釬料在環形間隙中的填充。通過Ti和碳納米管之間的反應形成具有細TiC顆粒的增強相接頭。預氧化和碳納米管生長后釬焊接頭剪切強度達到62 MPa。C/C 復合材料表面改性后接頭剪切強度提高的原因為殘余應力減小、結合面積增大和釘孔效果增強。He[25]采用高溫滲透方法，將Si-Zr合金加入Cf/C復合材料，不僅能潤濕母材，還可緩解接頭內部殘余應力，接頭剪切強度可達到32 MPa。

綜上所述，表面結構設計方法主要是將陶瓷或者陶瓷基復合材料與合金金屬在釬焊后內部產生的殘余應力集中起來，后以梯度過渡方式緩解界面殘余應力，進而提高釬焊接頭強度。

3 結論及展望

由于陶瓷與金屬異質材料熱膨脹系數差異很大，界面殘余應力過大易導致接頭失效，為有效緩解殘余應力這個難題，本文重點介紹和分析了4 種方法對釬焊界面的影響。其中采用中間層、復合釬料均是對釬料中合金含量進行調節或添加其他物質提高釬焊接頭強度和力學性能，保證釬焊界面微觀組織連續性，降低陶瓷與金屬連接不穩定性與不匹配程度，最大可能地緩解釬焊接頭殘余應力；工藝參數優化和表面結構設計是在母材表面進行改性，通過物理方法對釬焊后接頭殘余應力進行有效緩解。這些應力調節方法對陶瓷與金屬異質連接研究具有積極意義，可有效提高陶瓷與金屬復合材料構件實際服役性能。但目前研究還存在諸多不足需重點關注：

（1）陶瓷/金屬連接界面殘余應力緩解側重于試驗性探索研究，殘余應力產生機理未完全解析闡明清楚。現有應力調節方法較為單一，且自身存在很大缺點，可同時結合不同方法，發揮各自優點。需要注意的是，雖然復合方法預期能大幅度緩解殘余應力，但其成本較高，效率較低。

（2）實際應用亟需大尺寸結構應力調節。目前，實驗接頭調節往往是小尺寸的，而在實際工業生產中，陶瓷與金屬復合材料零件多為大尺寸結構件，此類部件殘余應力通常會影響整個裝備運行，因此對接頭應力調節提出更高要求。目前大多數研究中陶瓷與金屬接頭及界面殘余應力均較小，易消除。但如果在大型裝備制造生產過程中，所需結構和材料較為龐大，那么實驗室中所遇到的難題也會放大。

（3）應重點關注陶瓷/金屬異質連接件應力緩解后的功能性應用?，F有基礎研究只注重釬焊接頭強度，對于耐磨、耐腐蝕性及抗熱震性關注較少。應理論聯系實際，全面關注陶瓷/金屬異質結構的特性和功能性，有助于陶瓷/金屬異質結構的規?；茝V應用。