金属和陶瓷的钎焊技术及新发展

摘要：综述了金属和陶瓷常用的钎焊工艺和部分瞬间液相(r,rlp)钎焊法，指出了金属和陶瓷钎焊的难点，展望了其发展趋势。活性

金属钎焊能有效改善陶瓷表面的润湿性，具有广泛的应用前景，而pnp法为金属与陶瓷的高强度耐热连接开辟了一个新途径，正不断

引起人们极大的兴趣和关注。

关键词：金属； 陶瓷；

中图分类号：tg454

钎焊； 部分瞬间液相钎焊

文献标识码：a

工程陶瓷以其优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能特

点．已发展成为被普遍认可的高性能结构材料，但陶瓷件塑性

差、不耐冲击．使其应用受到限制i1]。金属和陶瓷的钎焊技术

可以实现2种材料性能优点的相互结合，从而有效扩大其应用

范围。是当前材料科学和工程领域的研究热点之一。钎焊是采

用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到钎料

熔点和母材熔点之间的温度，利用液态钎料润湿母材、填充接

头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法[2]。由于普通金

属钎料在陶瓷表面润湿性很差。因此提高钎料在陶瓷表面的润

湿性是保证钎焊质量的关键。此外，金属和陶瓷物理性能、力

学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。

1 金属和陶瓷钎焊的难点

金属陶瓷钎焊的主要难点在于冶金不相容和物性不匹配。

冶金不相容是指钎料熔化后对陶瓷不浸润，难以在熔接区和陶

瓷实现原子间的冶金结合：物性不匹配是指金属陶瓷的热膨胀

系数差异太大。在钎焊结合区存在很大的应力梯度。钎焊产生

的热应力使连接强度降低、质量难以满足需要。目前常常通过

添加活性元素以改善钎料在陶瓷表面的润湿性，采用添加缓冲

层的方法来解决金属陶瓷物性不匹配的问题。缓冲层分为软性

缓冲层、硬性缓冲层和软硬双层缓冲层三大类。软性缓冲层的

热膨胀系数较高，夹在金属钎料与陶瓷之间可以解决热膨胀不

匹配引起的残余应力．但与金属间的连接往往不够理想． 因此

在某些情况下采用软硬双层缓冲层：一层是与陶瓷有较好结合

强度的软性缓冲层；一层是低膨胀系数的硬性缓冲层．夹在钎

料与陶瓷之间进行施焊．这种方法能够在一定的程度上改善接

头性能。但缓冲层增多使施焊工艺复杂．并且使缓冲层变厚，

收稿日期：20__一o1—15：修回日期：20__—07—12

基金项目： 国防科学技术工业委员会项目(jpp，r一115—298)

陶瓷与金属的连接实际上会变成依靠缓冲层来连接，致使钎焊

接头各项性能指标下降。

2 常用的金属和陶瓷钎焊方法

目前常用的钎焊方法有陶瓷表面金属化法 和活性金属

法 。

2．1 陶瓷表面金属化法

陶瓷表面金属化法，也称为两步法[5]，是先对陶瓷表面进

行金属化处理．采用烧结或其它方法在陶瓷表面涂镀一层金属

作为中间层，然后用钎料把金属镀层和金属钎焊在一起。陶瓷

表面金属化的方法有很多，如mo—mn法、气相沉积、化学镀

和离子注入等问，常用的是mo-mn法，一般工艺过程为：将mo—

mn粉制成膏剂涂在陶瓷表面，在1 000—1 800 oc的n2或h2气氛中

烧结后，表面形成玻璃相，同时部分金属氧化物被还原，产生

金属表面层，最后在表面镀上一层金属(常用镍) 。mo—mn

法烧结金属粉末的常用配方和烧结工艺参数见表1。目前。

mo—mn法在工业上已得到广泛应用。但这种传统的连接方法

工艺复杂，费时耗资。

表1 常用的mo-mn法金属化配方和烧结工艺参数

序 配方组成(质量分数) ％) 涂层厚度 金属化温度

． 号 适用陶瓷

mo idn mno al sio2 ca0 mgo fe m 保温时间／min

，

1 80 20 75％aj2o3 30—m 1 350．30—6o

2 45 18．2 20．9 12．1 2-2 1 1 0．5 95％aj 6 70 1 470，60

3 65 17．5 7．5(95瓷 95％aj203 35—45 1 550．60

4 59 95％a1203

．5 17．9 12．9 7．9 1．8 (m 6o 8o 1 510．50

g-aj—si)

5 50 17．5 19．5 l1．5 1．5 透明刚玉 50～6o 1 400—1 500．40

99％bno 1 400，30

6 70 9 12 8 1 40 o

95％aj2o1 1 500．60

气相沉积法包括物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积

(cvd)和等离子反应法。对于a1n，sic等非氧化物陶瓷与金

2 ·专题综述· 焊接技术 第36卷第5期2oo7年1o月

属的连接，大多采用pvd法。文献[8]介绍了一种应用脉冲等

离子束和pvd法对a1 0，陶瓷预金属化表面改性的方法，5次脉

冲后陶瓷表面形成纳米尺度厚度的 0 膜．再用pvd法沉积约

2 m厚的ti 0或金属 ；改性后的a1 0，陶瓷在初始压力为1o pa

的真空炉中采用agcu28合金钎料与可伐合金钎焊连接． 接头

抗拉强度达9o mpa。

此外，张永清 等人用化学镀的方法在a1 0，陶瓷表面镀ni，

厚度约48 i-tm，然后在辉光钎焊炉中用ag—cu钎料与q235钢钎

焊连接．接头抗剪强度达到了78 mpa；朱胜_103等人研究了用射

频溅射薄膜改善a1n陶瓷与金属连接性的方法：用射频溅射法

将 。al沉积~ua1n表面．然后在真空炉中用厚度为o．1 mm的

agcul9．5ti3in5钎料钎焊连接a1n (ti膜)一cu，a1n (a1膜)一cu；

加压所配质量20 g，温度1 173 k，保温20 min，接头的平均抗

剪强度分别达到120 mpa和127 mpa，与相同工艺条件下未经

表面改性i~a1n／agcu19．5ti3in5／cu钎焊相比．强度提高了3o

mpa以上。

2．2 活性金属法

活性金属法．也称为一步法．是采用活性钎料直接对金属

与陶瓷进行钎焊．它利用金属与陶瓷之间的钎料在高温下熔

化．其中的活性组元与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应梯

度层，将两层不同材料结合在一起的方法。文献[11]介绍，在

钎料中添加表面活性元素可使陶瓷表面润湿性得到明显改善，

， zr．hf，pd．v，nb等过渡族或稀有金属元素具有很强的

化学活性．加至钎料中在高温下对氧化物、硅酸盐等物质具有

较大的亲和力，可和cu，ni，ag，au等一起制成金属陶瓷钎

焊的活性钎料。活性钎料在两界面处可以产生机械或化学结

合，机械结合是指钎料颗粒嵌入或渗入陶瓷表层微孑l区，而化

学结合是钎料和基体间的物质转移和反应，它们会大大促进润

湿性。关于活性金属法的封接机理仍是一个有争议的问题， 目

前取得比较一致的见解是：钛与钎料金属接触，在温度高于钎

料金属的熔点时，便形成了含钛的液相合金，在更高的温度

下．其中部分液相活性金属钛被陶瓷表面选择性吸附而降低了

固液比界面能．从而使钎料合金更好地润湿陶瓷； 同时有部分

钛与陶瓷表面的成分发生化学反应，并还原其中的金属离子，

形成钛的低价氧化物，如ti0， 20，。与mo —mn法相比， 活性

金属法有适用范围广、工序少、周期短、温度低等优点，但是

仍存在内应力大、封接强度低、生产率不高等缺点，所以，目

前活性金属法的应用并没有mo—mn法普遍。

设计金属／陶瓷接头的活性钎料时主要应考虑：①钎料应

具有合适的熔点，一般情况下它的液相线温度要低于母材固相

线温度40～5o℃；② 在钎焊温度下具有良好的润湿作用，能充

分填充接头间隙；③与母材的物理化学作用应保证它们之间形

成牢固的结合；④钎料不宜含有饱和蒸气压高的化学元素，如

zn，cd，mg等；⑤钎料应塑性好、屈服强度低、抗拉强度高，

以保证常温下残余应力较小；⑥ 钎料抗蠕变、耐热疲劳、耐腐

蚀性能好．以保证接头能在恶劣的条件下正常工作。主要金属

和陶瓷活性的钎焊工艺以及强度测试结果见表2。

表2 金属和陶瓷活性钎焊工艺参数及抗剪强度

连接接头 钎料 温度 厚度 时间 抗剪强度，mpa 参考

，℃ ／p．m ／rain 20℃ 500℃ 600℃ 700℃ 文献

sirnjw pdcu+nb 1 210 150 [8]

sisngni pd∞ni加 1 29o 50 5 18 29

sisngni a 70pd,ni2 1 09o 50 5 99 105

si3n]ni aug,~pd i2 1 180 50 5 77 85

sirn,]ni aug,~pd i2 1 150 50 5 59 47

[12]

sic，nb ni h蛐 1 450 100 10 110 100

sic／nb ni， 1 450 100 10 68

a120／cu cu lri∞ 1 025 45 30 110 113 13

al20~~kovar cu5oti∞ 1 150 65 30 175 132 50

a12oynb cu 1 020 10 162 [13]

al20 i cu．til8z 1 020 10 145 [14]

al20~ni cu ri 1 020 10 162

al20 (a鼽cu≈)g)．rj3 850 190 30 189 [15]

_ri一6al—4v

al20 agto．scu 3 850 100 40 130 [16]

zrojcu／ ag u 850 30 105 [17]

1crl8ni9tj

zroj铸铁 cu—ga—e 1 150 10 277

[18：

zro 铸铁 cu--sn--pb-ti 950 10 156

3 金属和陶瓷钎焊的新发展一部分瞬间液相(ptlp)法

1990年．iino yt 基于金属／陶瓷活性钎焊的研究结果和ni

基耐热合金瞬间液相(tlp)连接的原理，提出了用于金属／陶

瓷连接的部分瞬间液相(partial transient liquid-phase， 以下

简称 lp)法。在这种连接方法中，借助微观设计的多层中

间层，通过低熔点钎料层的熔化和多层材料之间的相互扩散和

反应，仅在靠近陶瓷表面处形成局部液相区，起到钎料的作

用．在随后的连接过程中．液相区发生等温凝固和固相成分均

匀化．从而使连接接头兼有普通的活性钎焊和固相扩散连接的

优点。与固相扩散连接相比，w lp法由于有液相参与，故大

大加速了连接过程．降低了对连接表面加工精度的要求，能有

效地消除固相连接中难以完全消除的界面空洞。与普通的活性

钎焊相比． lp法通过液态合金的等温凝固以及随后的固相

成分均匀化，使接头具有固相扩散连接的耐热特性。

p11lp法是一种用钎焊的方法获得具有固相扩散连接接头

耐热特性的连接方法。近年来受到了人们的极大关注。张春

光等 通过ni— 活性钎料部分液相瞬间连接工艺，实现了高

纯al 0，陶瓷和可伐合金(kovar)的气密性连接。p11lp法有在

较低温度或在低于实际服役温度下进行连接的可能性。以最简

welding technology vo1．36 no．5 oct．20__ ·专题综述· 3

单的a一 匀晶相图为例，图1所示为不同连接方法中连接温度

所处的范围。

注：1．普通钎焊；2．固相扩散；3．vrlp法

图1 不同连接方法的连接温度选掸示意图

图1中富a端的阴影区表示连接后中间层或钎缝的成分。

这时，钎焊温度和固相扩散连接温度显然要超过或接近难熔金

属a的熔点，分别如图中点1和点2所示。而ptlp的钎焊温度则

取决于低熔点金属 的熔点，如图中点3；如果连接后中间钎

焊层的成分达到点3 ，就与固相扩散连接的情况几乎一致。由

于a的熔点与 的熔点(或共晶温度)可能相差很大，所以用

ptlp法通常能显著地降低连接温度，从而减小残余应力。可

以认为．唧法为陶瓷金属的高强度耐热连接开辟了一个新

途径。

4 金属和陶瓷钎焊的发展前景

随着社会新材料的发展和金属与陶瓷钎焊技术日趋完善。

其在工业领域的应用越来越广泛，如电子工业、机械工业、能

源工业、宇航军用工业等等，可以预见，金属与陶瓷钎焊技术

有着广阔的应用前景，无疑是今后研究的重点。传统的陶瓷金

属化法工艺复杂、费时耗资，活性金属钎焊是目前最有可能得

到大规模工业应用的连接方法，而部分瞬间液相连接充分结合

了活性钎焊和固相扩散连接两者的优点，能在比常规连接方法

低得多的温度下制备耐热接头，正不断引起人们极大的兴趣和

关注。

参考文献：

[1]石保庆．钎焊技术发展动向[j]．焊接技术 1998，27(1)：3％38．

[2]李亚江．焊接材料的选用[m]．北京：化学工业出版社，20__．226—

228．

[3]刘联宝．电真空器件的钎焊与陶瓷一金属封接[m]．北京：国防工

业出版社．1978．160-168．

[4]高陇桥．陶瓷一金属材料实用封接技术[m]．北京：化学工业出版

社．20__．7—9．

[5]王仲礼．陶瓷与金属的焊接技术[j]．焊接技术，1996，25(5)：17—19．

[6]samandi m，gudze m，evans p．application of ion implant~ion to

ceramlc／metal joining [j]．nuclear instruments and methods in

physics research b，1997， (127／128)：669—672．

[7]钱耀川，丁华东，傅苏黎．陶瓷一金属焊接的方法与技术[j]．材料

导报，20o5，19(11)：98—100．

[8]piekoszewski j，krajewski a，pmke~f，et al，brazing of alumina

ceramics mod ified by pulsed plasma beams combined with arc pvd

treatment[j]．vacuum，20__，70(2)：307—312．

[9]张永清，赵彭生．利用化学镀实现al2o，陶瓷与金属的连接[j]．焊

接技术，1999，28(2)：16—17．

[1o]朱胜，霍辛斯基，徐滨士．射频溅射薄膜改善氮化铝陶瓷与金

属连接性研究[j]．中国表面工程，1998，l1(4)：5-9．

[11]王申，李淑华，谭惠民．陶瓷一金属的连接技术[j]．飞航导弹，

20__，32(6)：5 5—58．

[12]邢世凯．陶瓷一金属连接工艺研究现状及进展[j]．材料保护，

20__，37(5)：35—38．

[13]吴铭方，于治水，王凤江，等．al~ojcu70ti25zr5／nb界面结构及

强度[j]．硅酸盐学报，20__，29(4)：335—339．

[14]姜健，巴德纯，闻立时．zno：ai薄膜的制备和工艺参数对其

电阻率的影响[j]．真空，20__，37(6)：24—28．

[15] 蒋成禹，吴铭方，于治水，等．a120~(ag72cu28)97ti3／ti一6ai一

4v界面结构及性能研究[j]．稀有金属材料与工程，20__，30

(4)：264—267．

[16]paiva 0 c，barbosa m a．brazing parameters determine the

degradati on an d mechanical behaviour of alumina／titanium brazed

joints[j]．journal of materials science，20__，35：1 165—

1 175．

[17] yanagi h， inoue s，ueda k， et a1．electronic structure and

optoelectronic properties of transparent p-type conducting cualo2

[j]．j．app1．phys，20__，88(7)：4 159-4 163．

[18]ueda k，hase t，yanagi h，et a1．epitaxial growth oftransparent

p-type conducting cugaoz thin films on sapphire(001) substrates

by pulsed laser deposition[j]．j．app1．phys．，20__，89(3)：1 790-

1 793．

[19] iino y．partial transient liquid—phase metals layer technique of

ceramic—metal bonding[j]．j．mater．sci．ktl，1999，10(2)：104 ～

106．

[2o]张春光，乔冠军，金志浩．ni—ti焊料部分液相瞬间连接高纯

al2o3一kovari艺的研究[j]．稀有金属材料与工程，20__，31

(4)：299—302．