陶瓷/金属连接界面韧性及其实验测定

基于能量叠加和梁的等效截面转换原理，本文导出了计算Ｓａｎｄｗｉｃｈ梁试样界面裂纹扩展能量释放率的解析式，并利用专门设计的四点弯曲实验系统测得了Ｓｉ３Ｎ４／Ａｌ真空扩散连接界面的韧性，进而为优化陶瓷／金属连接工艺、筛选材料组配和评价其连接界面的抗断裂性能提供了必要的研究方法和实验手段。

Al及其合金作钎料或中间层连接陶瓷—金属

综述了Al及其一些合金对陶瓷的润湿性,以及用Al及其合金连接陶瓷—金属的各种影响因素。阐述了用Al及其合金连接陶瓷-金属要解决的主要问题是预防连接过程中Al的氧化和如何提高接头的高温性能。

用中间层为非活性金属FeNi/Cu的Si_3N_4陶瓷与Ni的扩散连接

采用非活性金属中间层FeNi/Cu在高、低真空条件下进行了Si3 N4 陶瓷与Ni的扩散连接 ,然后对部分接头进行了热等静压 (HIP)后处理 ,测定了连接接头的四点弯曲强度 ,用扫描电镜 (SEM)、电子探针 (EPMA)和X射线衍射仪 (XRD)对连接界面区域进行了分析。结果表明 ,采用非活性金属中间层扩散连接Si3 N4 陶瓷与Ni,在高真空和低真空条件下均能获得高强度连接 ,连接界面处没有形成Ni-Si化合物反应层 ,连接时间对接头强度的影响不明显。上述特征与用活性金属中间层连接时的情况截然不同。本文的连接方法有着重要的工程应用前景。

接头形式对陶瓷/金属连接残余应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了用AgCuTi钎料并添加Kovar中间层对氧化铝陶瓷/不锈钢进行钎焊连接接头残余应力的分布情况,分析接头形式对残余应力的影响。结果表明,采用等壁厚直接对接接头时,接头最大等效应力高达600 MPa以上,而将不锈钢壁厚减半后再进行对接时,接头最大等效应力可以降低近200 MPa;两种情况下最大等效应力均出现在靠近连接界面的陶瓷中,断裂易在此位置发生。考查了各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示轴向应力和剪切应力在靠近界面的陶瓷侧有较大残余拉应力是造成接头强度降低的主要因素。

铜应力缓解层对陶瓷-金属连接残余应力的影响

用有限元法计算了不同厚度铜片对Si3N4-4Cr10Si2Mo连接四点弯曲试样残余应力的影响,找出最大残余应力位置及数值。测量了不同厚度铜片作缓解层时连接试样强度。计算结果与测量结果一致性较好。当铜片厚度为0.3 mm时,连接试样残余应力最小,连接强度最高。

陶瓷-金属二次部分瞬间液相连接接头残余应力分析

利用热弹塑性有限元方法,模拟分析了Si3N4陶瓷与Ni合金进行二次部分瞬间液相连接接头残余应力分布状态和中间层对此连接接头应力分布的影响。结果表明:在靠近连接界面附近的陶瓷外表面存在最大拉伸应力;有中间过渡层的接头应力出现大幅度的降低。分析认为:陶瓷与金属之间热膨胀系数的重大差异是导致残余应力的主要原因;采用中间过渡层能缓和接头的残余应力,提高接头强度。

陶瓷与金属连接的研究及应用进展

陶瓷与金属的连接件在新能源汽车、电子电气、半导体封装和IGBT模块等领域有着广泛的应用,因此,具有高强度、高气密性的陶瓷与金属的封接工艺至关重要。目前,国内外在该领域内对于烧结金属粉末法(陶瓷金属化)、活性金属钎焊法和陶瓷基板覆铜等连接工艺已经有了深入研究和许多进展。本文对近二十年国内外广泛用于陶瓷与金属连接的产业化工艺技术及其应用进行阐述,并对其发展方向进行展望。

陶瓷-金属焊接的方法与技术

概述了陶瓷-金属焊接的特点。综述了常见的6种焊接方法,包括钎焊、扩散连接、过渡液相连接、自蔓延高温合成连接、热压反应烧结连接和摩擦焊等,重点介绍了它们的工艺特点和研究现状。在此基础上,比较了各种方法的优缺点和适用范围,并对陶瓷-金属焊接的研究前景进行了展望。

Si C 陶瓷与镍基高温合金的热压反应烧结连接

采用 Ｔｉ Ｎｉ Ａｌ 金属复合焊料粉末， 利用 Ｇｌｅｅｂｌｅ １５００ 热模拟机以自阻加热方式对镍基高温合金和 Ｓｉ Ｃ 陶瓷进行热压反应烧结连接研究， 获得了强度为７０ Ｍ Ｐａ （ Φ１０ ｍ ｍ ×５０ｍ ｍ 圆棒非标准试样， 四点抗弯强度） 的焊接件。微观结构分析表明铝可以通过渗透到陶瓷的非封闭孔隙中或与陶瓷发生界面反应而形成比较牢固的接头。分析了焊缝区焊料中的孔洞对缓解焊接应力的作用。

活化钼-锰法连接高纯Al_2O_3陶瓷/不锈钢

采用活化钼-锰路线,使用72Ag28Cu(质量分数,下同)钎焊制备了高纯Al2O3陶瓷/不锈钢接头。利用SEM对金属化陶瓷的显微结构、元素分布进行了分析,并讨论活化钼-锰法的金属化机理。考察了金属化工艺、镀镍及镀后热处理对接头剪切强度和钎焊效果的影响。结果表明:玻璃相迁移和化学反应对活化Mo-Mn金属化起主要作用,金属化层烧结起辅助作用,且玻璃相迁移主要为由金属化层向陶瓷体方向。在最优工艺条件下,接头最大剪切强度达115MPa,平均强度高于97MPa。薄的镀镍层有助于焊料浸湿金属化层和阻止焊料腐蚀金属化层。镀后热处理也可显著提高接头强度。

SiC陶瓷与Ni基高温合金连接件应力的有限元分析

陶瓷与金属连接具有重要的工程应用背景,然而却面临诸多技术难关,连接件的热应力缓解便是其中之一。本文作者采用弹性有限元方法,对采用不同材料作为中间层得到的实际连接尺寸的SiC陶瓷与Ni基高温合金连接件的应力进行计算,并结合各种材料的塑性对连接件的应力进行定性分析。计算结果表明,SiC陶瓷与Ni基高温合金直接连接产生的热应力很大。最大轴向拉应力位于陶瓷近缝区,导致连接件强度偏低或断裂。采用功能梯度中间层或软金属中间层能在一定程度上缓解热应力;硬金属中间层虽然不能缓解应力,但能改善应力分布状态,使最大轴向拉应力迁移出比较薄弱的陶瓷一侧,有利于连接强度的提高;采用软、硬金属复合中间层具有较好的缓解应力和改善应力分布的效果,但却较多地增加了连接件的界面,有可能导致负面效应,在实际工程应用中需要根据具体情况,权衡利弊,综合考虑。

Al_2O_3陶瓷/不锈钢自蔓延高温原位合成连接

以分析纯三氧化二铁和粒度小于10μm的铝粉为反应原料,采用强电流加热的方法点燃,在马氏体不锈钢上原位合成Al2O3陶瓷,形成Al2O3陶瓷/马氏体不锈钢复合材料。利用光学显微镜和扫描显微镜对自蔓延高温合成的Al2O3陶瓷相及其与马氏体不锈钢形成的过渡区进行了显微组织分析;利用电子探针对合成的陶瓷相的成分进行了测定。研究结果表明,在Al/Fe2O3自蔓延高温合成体系中,合成的Al2O3陶瓷的显微组织主要为Al2O3陶瓷相和少量的铁素体与尖晶石相Al2O3·FeO;反应合成原料中过量的Al有利于Al2O3陶瓷相的致密化;反应合成原料坯块的厚度大于2.00mm时,能获得结合界面状况良好的Al2O3/马氏体不锈钢复合材料。

用Ti/Ag粉坯连接的SiC陶瓷界面

以Ti、Ag金属粉末压坯做焊料,采用热压反应烧结连接工艺连接再结晶SiC陶瓷。当焊接温度为1030℃,接头抗弯强度最高达116.8MPa,为母材强度的73.4%。显微分析表明:在焊料产物层与SiC陶瓷母材之间形成一个反应层,焊接温度的变化对反应层的厚度有明显影响;反应层主要由TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2组成,且Ti3SiC2紧邻母材SiC,而TiC则靠近焊料产物层一侧。SEM分析表明:焊料产物层为黑白相间的复相区,白色相主要是AgTi,黑色相主要由Ti和AgTi3组成。

陶瓷-金属活性金属钎焊研究的现状和进展

在现有的陶瓷 -金属连接技术中 ,活性金属钎焊具有显著的技术优势和经济效益。本文综述了近年来在反应浸润、活性钎料、界面反应、连接强度和部分瞬间液相连接方面的研究现状和进展 ,指出了有待进一步研究的问题。

金属-陶瓷钎焊后ZrO_2变色现象的研究

通过浸润试验，观察经钎料作用后的ＺｒＯ２ 变色现象及其规律。探讨了变色机制。分析结果表明ＺｒＯ２ 变色是因缺氧所致，并发现钎焊接头近缝区ＺｒＯ２

用铁粉坯连接碳化硅陶瓷界面的微观结构

以铁粉压坯作为连接材料,采用高温钎焊连接工艺连接反应烧结SiC陶瓷。连接温度1250℃,保温时间3min,降温速率5℃/min,压坯厚度0.6mm。对其界面微观结构进行了分析;并进行了三点弯曲试验。结果表明:连接界面形成了2个反应层,相应的界面微观结构为SiC/反应层1/反应层2/反应层1/SiC;各界面之间相互交错,形成紧密连接;界面含有Fe_3Si、FeSi和SiC等相;试样断裂位置大部位于母材内,只有小部分断裂于反应层中,断口为混合断口。

用Fe粉坯连接SiC陶瓷的工艺研究

以Fe金属粉压坯作为连接材料,采用高温钎焊连接工艺连接反应烧结SiC陶瓷。通过正交实验得到了最佳连接工艺为:保温时间3 min,连接温度1250℃,降温速率为5℃/min,压坯厚度0.6mm(0.375g)。弯曲实验结果表明,采用该工艺得到的接头最大弯曲强度为13.6MPa。界面SEM分析表明,不同工艺下得到的接头界面微观结构相似,连接界面形成了2个反应层,相应的界面微观结构为SiC/反应层1/反应层2/反应层1/SiC。反应层1与SiC形成了紧密的连接,反应层1/反应层2界面处各相相互咬合在一起。

铋酸盐封接玻璃的研究及其连接应用现状

无铅低温封接玻璃由于具有绿色安全、成本低、封接温度低等优势,被广泛应用于航空航天、电真空、集成电路等领域。在磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐和铋酸盐等多种封接玻璃体系中,因铋与铅具有相似的性质特点,使得铋酸盐玻璃成为最有可能替代铅酸盐玻璃的绿色玻璃钎料。综述了铋酸盐玻璃的成分和性能调控、网络结构的研究现状,介绍了目前使用铋酸盐封接玻璃进行金属、陶瓷同质/异质材料连接的研究进展,最后对未来的发展趋势进行了展望。

TiC-TiB2陶瓷与Ti-6Al-4V钛合金的熔化连接研究

利用超重力场,在燃烧合成TiC-TiB_2细晶凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷与钛合金的熔化连接。陶瓷-钛合金连接接头的显微组织表明,伴随着TiC-TiB_2凝固陶瓷的合成,在超高重力场燃烧合成引发的高温热真空环境下,钛合金表面发生熔化并引发液态陶瓷与液态钛合金之间强烈的原子互扩散,进而在陶瓷-钛合金连接区形成了富Ti碳化物与细小的TiB_2呈相间分布且镶嵌于钛合金上的凝固组织。同时,陶瓷-钛合金连接接头的硬度从陶瓷至钛合金一侧呈线性逐渐降低。