陶瓷-金屬釬焊接頭殘余熱應(yīng)力研究進(jìn)展*

陳席國 ，姜文雍 ，王 勝

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

陶瓷具有高強度、耐磨損、抗高溫及耐腐蝕等優(yōu)良性能，在功能部件、防腐熱防護(hù)系統(tǒng)和輕量化結(jié)構(gòu)的制造中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。但陶瓷脆性大、加工性差、成本高，在工業(yè)生產(chǎn)中很難制成大尺寸、復(fù)雜形狀的構(gòu)件[2]，將陶瓷-金屬連接制成復(fù)雜構(gòu)件，形成性能上的優(yōu)勢互補，對滿足工程需求、拓展材料應(yīng)用具有重要意義。目前，實現(xiàn)陶瓷-金屬連接的方法主要有機械連接、膠接、擴散焊、激光焊及釬焊等[3]。其中，釬焊具有工藝簡單、高效、適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于異種材料的連接。但陶瓷與金屬的理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)均存在較大差異，常規(guī)釬料難以實現(xiàn)對二者的同時潤濕[4]，特別是熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差異會因變形限制而在冷卻過程中產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力[5]。高的殘余應(yīng)力直接削弱了釬焊接頭強度，甚至導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。隨著結(jié)構(gòu)尺寸和使用條件的不斷增加，對接頭可靠性的要求進(jìn)一步增加，但大尺寸接頭中的微裂紋會成為不穩(wěn)定因素。有效緩解接頭殘余應(yīng)力以獲得更好的強度和使用性能一直是陶瓷釬焊研究的重點。

本文介紹了改善釬料在陶瓷表面潤濕性的活性釬焊法，釬焊接頭中殘余熱應(yīng)力分布及對力學(xué)性能的影響，并分析了接頭中殘余熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因；著重闡述了目前緩解殘余應(yīng)力的復(fù)合釬料法、中間層法與陶瓷表面改性等方法及研究現(xiàn)狀；討論了陶瓷-金屬釬焊去應(yīng)力方法研究面臨的挑戰(zhàn)和未來的戰(zhàn)略方向。

1 陶瓷-金屬活性釬焊連接

釬焊是將熔點低于母材的釬料置于母材中間共同加熱至釬料熔化，熔融釬料潤濕母材表面并填充母材間隙，并通過元素擴散而實現(xiàn)母材連接的方法。然而，陶瓷的化學(xué)惰性使其表面難以被普通金屬釬料潤濕。為實現(xiàn)陶瓷與金屬連接，對陶瓷表面進(jìn)行預(yù)金屬化可以有效解決陶瓷表面難以被潤濕的問題，但工藝復(fù)雜，且釬焊接頭強度不夠高。解決上述問題的另一途徑是活性釬焊法，即在釬料中加入適量活性元素與釬料、陶瓷發(fā)生反應(yīng)，而在陶瓷表面形成與金屬結(jié)構(gòu)相類似的、可以被熔融釬料潤濕的化合物反應(yīng)層，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的活性釬焊連接[1]。

Ti、Zr、Hf、V等金屬元素因具有較強的化學(xué)活性，對氧化物和硅酸鹽也有很大的親和力，且易與Cu、Ni、Ag形成液態(tài)合金，易與陶瓷表面發(fā)生反應(yīng)而被稱為活性元素[6]，常用于陶瓷與金屬的活性釬焊。陳旭等[7]采用AgCu釬料連接Si3N4陶瓷與TC4時發(fā)現(xiàn)，在釬料中添加少量Ti可改善其潤濕性。主要因為融化后釬料中的Ti會擴散至Si3N4陶瓷表面并發(fā)生反應(yīng)生成連續(xù)的TiN和Ti5Si3反應(yīng)層，利于潤濕陶瓷而明顯增強接頭剪切強度，達(dá)到267.3 MPa。為進(jìn)一步探討活性元素對釬料性能的影響，F(xiàn)u等[8]研究了不同Ti含量（2%、4%、6%、8%）釬料對Al2O3陶瓷與Cu釬焊結(jié)合強度和顯微組織的影響，不同Ti含量釬焊接頭顯微組織中的物相相似，但在Ti含量較多的接頭釬縫中會生成較多的灰色Ti6Sn5相，如圖1所示。

圖1 Ti含量對銅/氧化鋁陶瓷釬焊接頭組織的影響（600 ℃/5 min）

剪切試驗結(jié)果表明，釬焊接頭結(jié)合強度隨著Ti含量的增加有了較大提高。因為Ti含量的增加會改善陶瓷表面的潤濕性，且接頭中彌散分布的Ti6Sn5相強化了組織，能有效阻止裂紋的擴展而提高接頭的剪切強度。但接頭強度并沒有一直隨Ti含量的增加而增加，當(dāng)釬料中Ti含量為6%時，獲得接頭最大強度25 MPa。而當(dāng)Ti含量達(dá)到8%時，過多的Ti6Sn5相會削弱結(jié)合強度，如圖2所示。可見，活性元素含量過低時，釬料對陶瓷表面潤濕性較差，結(jié)合強度較低。但活性元素含量過高會增加釬料脆性，也會降低結(jié)合強度。

圖2 Ti含量對銅/氧化鋁陶瓷接頭剪切強度的影響（600 ℃/5 min）

研究表明，加入活性元素的釬料與陶瓷發(fā)生反應(yīng)形成反應(yīng)層的厚度與釬焊工藝參數(shù)如溫度、時間有關(guān)，并影響接頭性能。Cao等[9]采用Ag-Cu-8Ti釬料對Al2O3陶瓷和Fe-33Ni-15Co合金進(jìn)行了系列釬焊研究，對在陶瓷和釬料界面形成的Ti3Al、TiO化合物反應(yīng)層進(jìn)行定量分析，建立了反應(yīng)層厚度與釬焊溫度、時間的關(guān)系。結(jié)果顯示，反應(yīng)層厚度呈拋物線型增長，接頭斷裂強度則先增大后減小。890 ℃保溫5 min工藝獲得接頭最大抗剪強度約為78 MPa，且微裂紋首先在Ti3Al和TiO的界面形成，隨后沿晶界擴展至Al2O3陶瓷中。

綜上可知，活性釬焊可以有效解決釬料難潤濕于陶瓷的問題，并實現(xiàn)陶瓷-金屬的連接。但釬焊過程中，在形成連接所需反應(yīng)層的同時亦形成了不利于接頭性能的少量金屬間化合物，且界面反應(yīng)機理復(fù)雜。目前主要通過優(yōu)化工藝參數(shù)控制界面反應(yīng)，而對其反應(yīng)機理還需進(jìn)一步研究以調(diào)控金屬化合物的生成及尺寸。此外，活性釬焊接頭的高溫性能與工程需求仍有較大差距，適用高溫性能接頭的活性釬料有待進(jìn)一步開發(fā)。

2 釬焊接頭中殘余熱應(yīng)力分布及對力學(xué)性能的影響

零件在外力作用下會變形，導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力。然而，物體的變形不僅是由外部效應(yīng)引起的，也是由溫度變化引起的。溫度變化引起的變形稱為熱變形[10]。需要指出的是，單純的溫度變化并不一定會在物體中產(chǎn)生應(yīng)力。而當(dāng)溫度變化引起的收縮或膨脹受到約束時則會在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種不受外力作用而由熱變形引起的約束稱為熱應(yīng)力[11-13]。可見，產(chǎn)生熱應(yīng)力的根本原因是溫度變化關(guān)系和約束作用。釬焊過程中，考慮到金屬的熱膨脹系數(shù)約為陶瓷的2.5倍，且熱膨脹系數(shù)隨溫度變化關(guān)系呈非線性增加，如表1所示。在冷卻過程中陶瓷與金屬的變形量不同，則會導(dǎo)致釬焊接頭產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力。如果殘余熱應(yīng)力大于接頭強度則破壞其接頭界面。在結(jié)合強度高的情況下，殘余應(yīng)力可能直接導(dǎo)致陶瓷側(cè)斷裂。因此，研究釬焊接頭殘余熱應(yīng)力的分布和大小對發(fā)展高強陶瓷-金屬接頭具有重要意義。

表1 不同溫度材料物理性能參數(shù)

Zhang等[14]通過研究分析殘余熱應(yīng)力對同種或異種材料釬焊接頭的影響發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下Al2O3陶瓷與SS304不銹鋼的釬焊結(jié)合強度低于Al2O3陶瓷間釬焊結(jié)合強度。分析產(chǎn)生此結(jié)果的原因主要是金屬和陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，在釬焊冷卻過程中金屬和陶瓷的收縮程度不一致，進(jìn)而在接頭中產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力可引起金屬塑性變形、陶瓷內(nèi)部裂紋或界面脫粘等缺陷，均會導(dǎo)致接頭強度下降甚至過早失效。對連接試樣進(jìn)行彎曲試驗，得到三種不同的斷裂形式，但由于接頭中殘余熱應(yīng)力較高，裂紋首先發(fā)生在陶瓷側(cè)，最后沿陶瓷側(cè)擴展。

綜上，因陶瓷與金屬理化性能差異較大而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力會大大惡化接頭的力學(xué)性能，特別是在脆性斷裂、變形、耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性和疲勞壽命等方面，給實際生產(chǎn)和應(yīng)用帶來巨大的經(jīng)濟損失[15]，降低接頭殘余熱應(yīng)力已成為迫切需要解決的問題。目前，國內(nèi)外許多研究者采用有限元分析方法和X射線衍射對陶瓷-金屬釬焊接頭殘余熱應(yīng)力的狀態(tài)和分布進(jìn)行了廣泛研究，并取得了一系列成果[16]。Wang等[17]對Si3N4/42CrMo接頭殘余應(yīng)力分布模擬發(fā)現(xiàn)：最大殘余熱應(yīng)力出現(xiàn)在母材與填充合金界面附近。接頭中的von Mises應(yīng)力對稱分布于母材/填充合金界面附近。軸向應(yīng)力σxx和最大主應(yīng)力σ1峰值始終出現(xiàn)在距界面200 μm區(qū)域；通過II型斷裂加速接頭裂紋擴展的剪應(yīng)力τxy也對稱特性分布于界面附近，且其頂部為壓應(yīng)力，底側(cè)為拉應(yīng)力。

3 降低陶瓷-金屬釬焊接頭殘余熱應(yīng)力的方法

由于陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，且陶瓷的彈性模量較高，塑性變形能力差，釬焊接頭冷卻過程中會在連接界面處產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力而使其接頭強度降低。為了調(diào)控陶瓷-金屬釬焊接頭中的殘余熱應(yīng)力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。目前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，降低殘余應(yīng)力的方法趨于多樣化，主要有復(fù)合釬料法、中間層法和陶瓷表面改性法等，如圖3所示。

圖3 降低殘余熱應(yīng)力方法的發(fā)展趨勢

3.1 復(fù)合釬料法

復(fù)合釬料法作為降低殘余熱應(yīng)力的常用方法，是指在常規(guī)釬料中加入陶瓷粉、金屬粉、纖維等作為增強相制成或在釬焊過程中生成熱膨脹系數(shù)較低的強化相[18]。林國標(biāo)等[19-21]分別將SiC粉、W粉、TiC粉通過機械球磨加入Ag-Cu-Ti釬料中制成復(fù)合釬料，并應(yīng)用于鈦合金與SiC的釬焊。結(jié)果表明，釬焊過程中SiC與Ti反應(yīng)，在鈦合金表面形成了Ti3SiC2反應(yīng)層，與He等[22]使用Ag-Cu-Ti+SiC復(fù)合釬料釬焊Si3N4陶瓷實驗結(jié)果一致。增強相的引入在接頭中能夠形成熱膨脹系數(shù)的梯度過渡，使得SiC陶瓷與鈦合金的熱膨脹系數(shù)差異度減小，能夠有效降低接頭中的殘余熱應(yīng)力而顯著提高接頭強度。

Yang等[23]使用CuTi+TiB2復(fù)合釬料在930 ℃/10 min工藝參數(shù)下釬焊Al2O3陶瓷和TC4合金，結(jié)果顯示：在釬焊過程中TiB2與Ti反應(yīng)生成了TiB晶須，明顯降低了接頭殘余熱應(yīng)力使得接頭抗剪強度比未添加增強相時提高了約239%，達(dá)到143 MPa。Wang等[24]使用TiN+AgCuTi復(fù)合釬料對Si3N4陶瓷與42CrMo合金進(jìn)行了釬焊研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiN增加到一定量時，接頭組織中有較多Ag-Cu共晶結(jié)構(gòu)和細(xì)小晶粒出現(xiàn)。當(dāng)TiN含量為5%時，接頭抗剪強度為376 MPa。而增至30%時，接頭中形成大量孔洞使接頭性能惡化。Zhao等[25]通過在Ag-Cu釬料中添加納米Si3N4+Ti顆粒的方法制備了AgCuC釬料，降低了釬縫熱膨脹系數(shù)，增強了接頭強度。由圖4所示的不同釬料的接頭組織可知，金屬側(cè)附近反應(yīng)層厚度明顯減小，意味著納米顆粒的加入可以有效限制TiN和Ti5Si3金屬化合物的生長。且采用AgCuC釬料時，釬縫中的Ag基固溶體被Ag基增強相所取代。這些分布在Ag基上的強化相不僅能提高焊縫的強度，還可減小釬縫上熱膨脹系數(shù)的差異。與未添加納米Si3N4顆粒釬料相比，復(fù)合釬料釬焊接頭最大結(jié)合強度提高近20 MPa，達(dá)到74 MPa。

圖4 不同釬料接頭組織

3.2 中間層法

中間層法是在陶瓷與金屬之間添加夾層，在接頭中形成復(fù)合釬縫結(jié)構(gòu)以緩解異種材料釬焊接頭殘余熱應(yīng)力。添加的夾層多為單層軟或硬夾層、軟/硬復(fù)合夾層、多孔材料和金屬纖維網(wǎng)等。軟夾層通常選用如Cu、Ni等熱膨脹系數(shù)高、彈性模量小、屈服點低、塑性好的材料，通過其屈服、塑性變形和蠕變來緩解殘余熱應(yīng)力[1-2]。W、Mo硬夾層具有較小的熱膨脹系數(shù)及較大的彈性模量，不僅能減小接頭中異種材料熱膨脹系數(shù)的差異，還能將殘余熱應(yīng)力集中區(qū)從焊縫的陶瓷側(cè)轉(zhuǎn)移到夾層中，從而有效防止陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。Sun等[26]引入W箔夾層，采用AgCu-4.5wt%Ti釬料對SiO2陶瓷和Invar合金進(jìn)行了釬焊研究，結(jié)果表明：W箔夾層的加入阻隔了Fe、Ni原子的擴散，避免了接頭組織中Fe2Ti、Ni3Ti等脆性化合物的生成，獲得了均勻的Ag-Cu共晶結(jié)構(gòu)。有限元分析表明，最大應(yīng)力峰值從未添加夾層的釬料與SiO2界面區(qū)轉(zhuǎn)移到了W箔夾層中，界面處等效應(yīng)力降低了近70%，達(dá)到110 MPa。Ma等[27]采用厚度為100 μm的具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的3D-SiO2纖維作為SiC陶瓷與TC4合金的中間層，且陶瓷側(cè)采用AgCuTi釬料，TC4合金側(cè)用AgCu釬料進(jìn)行了SiC陶瓷與TC4合金釬焊研究。結(jié)果顯示，通過引入3D-SiO2纖維，消耗了TC4合金中溶解的過量Ti元素，形成了分散的TiSi2、TiCu2、TiSi和α-Ti顆粒。這有助于SiC陶瓷（CTE≈2.98×106/K）與TC4合金（CTE≈8.6×106/K）或復(fù)合釬料（CTE≈7.95×106/K）之間形成良好的CTE梯度，緩解了殘余熱應(yīng)力而形成良好的無裂紋接頭，抗剪強度提高近40 MPa，約為無夾層SiC-TC4接頭的8倍。

綜上可知使用中間夾層均能在一定程度上降低接頭殘余熱應(yīng)力，但接頭性能仍不能滿足工程需求。因此，有學(xué)者設(shè)計了由多層軟/硬金屬組成的復(fù)合夾層以及多孔金屬、多孔陶瓷、泡沫金屬等作為夾層，以便更好地降低接頭殘余應(yīng)力。Qin等[28]采用TiZrCuNi非晶釬料分別置于母材與Cu箔、Mo箔的中間形成三層復(fù)合夾層，對C/C復(fù)合材料和TC4合金進(jìn)行釬焊連接。結(jié)果顯示，使用復(fù)合夾層的接頭強度與單一釬料夾層相比提高了3倍。Wang等[29]將石墨烯增強的泡沫Cu夾層用于ZrB2-SiC陶瓷與鎳合金的釬焊。實驗表明，石墨烯附著在泡沫Cu骨架表面能夠有效阻止Cu原子擴散而避免其骨架坍塌，保證了泡沫Cu吸收能量的作用。通過石墨烯和泡沫Cu的協(xié)同強化作用，接頭強度得到顯著提高。Li等[30]采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的石墨烯增強泡沫Cu夾層研究C/C復(fù)合材料與Nb釬焊接頭的殘余熱應(yīng)力緩解機理，并采用有限元計算分析了接頭殘余熱應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)沿著釬縫方向存在兩個分別為-186 MPa和252 MPa的應(yīng)力峰。當(dāng)采用復(fù)合中間層（G-Cuf）釬焊C/C復(fù)合材料與Nb時，由于復(fù)合中間層的塑性變形使得接頭殘余熱應(yīng)力得以有效釋放，且釋放程度與復(fù)合中間層的厚度存在直接聯(lián)系，當(dāng)G-Cuf復(fù)合中間層孔隙率為90%、厚度為0.15 mm時釬焊接頭殘余熱應(yīng)力最小，如圖5所示。

綜上可知，中間夾層的加入能夠調(diào)控釬縫組織結(jié)構(gòu)，降低陶瓷-金屬間熱膨脹系數(shù)差異度，能夠在一定程度上減小接頭中的殘余熱應(yīng)力。但釬料、中間夾層、母材間的物理性能仍存在差異，同時在接頭中引入了新的界面，且釬焊工藝對優(yōu)化效果有局限性，接頭性能仍不夠理想。

3.3 陶瓷表面改性法

復(fù)合釬料法和中間層法均是通過釬縫組織調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低接頭殘余熱應(yīng)力而提高接頭性能。此外，金屬與陶瓷釬焊接頭殘余熱應(yīng)力還與接頭結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如采用激光處理陶瓷表面進(jìn)行局部重新設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到調(diào)控局部應(yīng)力的目的，提升接頭的性能。

Zhang等[31]利用飛秒激光在氧化鋁陶瓷表面制備了微米尺度的周期性溝槽，如圖6所示。并使用Ag-Cu-Ti釬料與304不銹鋼進(jìn)行釬焊，斷裂實驗表明，未處理陶瓷表面的結(jié)合強度為24 MPa，且裂紋首先在焊縫邊緣形成，然后擴展至陶瓷邊緣。而激光改性陶瓷表面的結(jié)合強度可達(dá)66 MPa，約為未處理陶瓷表面結(jié)合強度的2.75倍，裂紋首先隨接頭界面擴展，然后進(jìn)入陶瓷內(nèi)部。作者分析認(rèn)為強度提高主要得益于溝槽擴大了釬料與母材的連接面積，液態(tài)釬料浸滿了溝槽形成了釘扎作用而強化了連接界面，且溝槽使裂紋擴展路徑增多，需要消耗更多的能量，因此接頭強度得以提高。有限元分析表明，周期性表面溝槽可以改變殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，使界面殘余熱應(yīng)力由拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，如圖7所示，抑制了裂紋的擴展，增強了接頭結(jié)合強度。

圖6 激光改性后陶瓷表面三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 不同溝槽設(shè)計下Al2O3/AgCuTi/SS304釬焊接頭應(yīng)力分布

3.4 釬料或母材梯度化

復(fù)合釬料的運用拓展了金屬與陶瓷釬焊技術(shù)，但復(fù)合釬料的單層結(jié)構(gòu)僅在有限程度上緩解殘余熱應(yīng)力與提高接頭強度。基于此，有學(xué)者提出梯度釬料概念，旨在釬焊接頭區(qū)形成組分略有差異的梯度釬焊層，以降低金屬與陶瓷釬焊接頭的殘余熱應(yīng)力，得到高性能釬焊接頭。潘峰[32]利用梯度釬料開展了緩解42CrMo與Si3N4接頭殘余應(yīng)力的研究，并通過數(shù)值計算系統(tǒng)分析了梯度層層數(shù)、厚度以及成分變化對接頭殘余熱應(yīng)力的影響，如圖8所示。結(jié)果表明：隨著梯度釬料中Mo含量的增加，近焊縫區(qū)熱應(yīng)力區(qū)域面積不斷減小，接頭中殘余熱應(yīng)力值先降低后增大。對于Mo含量為5vol.%+30vol.%的雙層梯度釬料而言，隨著釬料層厚度的增加，陶瓷一側(cè)的最大軸向應(yīng)力區(qū)域面積減小，而鋼一側(cè)的最大軸向應(yīng)力區(qū)面積不斷增大并且向釬料層移動。當(dāng)焊縫厚度為240 μm時，釬焊接頭中有最小的殘余熱應(yīng)力。采用不同層數(shù)的梯度釬料釬焊Si3N4-42CrMo鋼時，隨著梯度層層數(shù)的增加，釬焊接頭中軸向殘余熱應(yīng)力有不斷減小的趨勢。因而認(rèn)為更多的層可以使其實現(xiàn)在CTE和彈性模量上的平滑變化，從而降低殘余應(yīng)力。

圖8 不同Mo含量雙層梯度釬料及梯度層厚度對釬焊接頭殘余熱應(yīng)力的影響

4 結(jié)語

綜上所述，活性釬焊是陶瓷與金屬連接的主要方式，但連接機理仍不明確，且冷卻過程中接頭會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，降低接頭性能。為緩解接頭的殘余熱應(yīng)力，研究者也提出了許多從材料到工藝的方法，并取得了一定的成果。復(fù)合釬料法、中間層法和陶瓷表面改性法都能夠有效緩解接頭中殘余熱應(yīng)力，改善接頭性能，但均有一定局限性。結(jié)合工程發(fā)展與實際應(yīng)用需求，迫切需要采用復(fù)合方法進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控。單一的應(yīng)力調(diào)節(jié)方法都有其弊端，如何發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢，避免其弊端，并獲得綜合性能良好的釬焊接頭將是未來陶瓷與金屬釬焊領(lǐng)域中一個重要研究方向。

此外，應(yīng)加快特種釬料的研發(fā)。在保證釬料良好潤濕性和冶金效果的基礎(chǔ)上研發(fā)出具有調(diào)控界面冶金反應(yīng)、緩解接頭殘余熱應(yīng)力等功能的特種釬料。最后，研究可靠的殘余應(yīng)力分布模擬方法、應(yīng)力測量新方法、應(yīng)力緩解程度及其對整體構(gòu)件性能的影響也是重要的研究方向。