陶瓷/金属焊接性分析

目前，金属的焊接技术已经十分成熟。但在与陶瓷材料连接时，由于陶瓷材料与金属材料的键型不同，以及陶瓷材料本身特殊的物理化学性能，所以在连接过程中，不可避免地存在以下难点：

首先，陶瓷材料以离子键和共价键为主，具有很强的化学稳定性，所以采用熔化焊焊接陶瓷的方法几乎是不可能的，同时陶瓷也很难被熔化的金属所润湿。

其次，陶瓷与绝大多数金属的热膨胀系数差大，通过加热焊接陶瓷与金属时，冷却过程中，接头处极易产生残余应力，影响焊接接头力学性能。

因此，为实现陶瓷与金属的有效连接，最主要的问题是改善金属与陶瓷的润湿性和缓解接头残余应力问题。目前，针对陶瓷表面难润湿的情况主要采用陶瓷表面预金属化和在钎料中添加活性元素的方法，增加钎料对陶瓷表面的润湿；另一方面为解决因线膨胀系数差异大而引起的残余应力问题，常使用塑性优异或者与陶瓷材料线膨胀系数接近的中间层的办法。

1.3 陶瓷/金属连接方法

陶瓷与金属在物理化学性能的巨大差异性决定了采用常规的方法很难将陶瓷与金属进行连接。关于陶瓷/金属的连接主要有：机械连接法、粘结法和焊接【10】。机械连接包括栓接和热套法，这两种方法都含有较大的局限性，栓接工艺需要在陶瓷上加工孔，工艺难度大，且接头气密性差；热套则会因高温工艺而仅限于低温使用，且接头具有较大的残余应力。粘结法工艺简单，接头气密性优异，但强度低，仅限于一定温度下使用（一般低于 200℃。

相比于上述两种方法，焊接法所得接头耐高温，连接强度高，气密性好，且对连接件的尺寸和形状要求不高，适用范围广。由于陶瓷和金属的熔点相差很大，普通熔焊连接陶瓷与金属罕有报道，主要以激光熔焊和电子束焊为主，这种方法能够制造高温下稳定的连接头，但难以形成面-面连接，且设备投资昂贵.目前应用于金属与陶瓷的焊接方法

主要有：固相扩散连接、自蔓延高温连接、过渡液相连接以及钎焊。

1.3.1 扩散连接

a. 固相扩散连接

扩散连接是将焊件待焊表面紧密贴合，在金属不熔化的情况下，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间原子扩散形成联接的方法，是固相连接的一种方式，按照有无中间层，可分为直接扩散连接和间接扩散连接。在扩散连接陶瓷和金属时，为缓解因陶瓷与金属的线膨胀系数差异大而引起的焊接残余应力和控制接头界面反应，一般都选择添加中间层的扩散连接。连接过程中，陶瓷与金属待焊面在一定的压力和温度下相互靠近（距离达到 1～5×10-8 cm 以内），原子间相互扩散，从而形成冶金结合，其具有质量稳定、 连接强度高等特点，可焊其他焊接方法难以焊接的材料，应用广泛。

目前，关于陶瓷/金属真空钎焊多使用 Ag-Cu 钎料，Ag 与 Cu 形成固溶体或共晶合金，塑性好。添加低蒸气压合金元素，如 Sn、In、Ni 等，可降低钎料熔点，缩小熔化温度区间，提高钎料塑性，主要有 Ag-Cu-In、Ag-Cu-Sn、Ag-Cu-In-Sn、Ag-Cu-Ni以及 Ag-Cu-Ti 合金系列。添加元素的蒸气压均比纯银低(在 10-4 ~10-5 Pa)，可降低银铜钎料的熔化温度(一般在 550~900℃)，有效减少钎料的银含量。

(1) Sn 在 AgCu 钎料中加入 Sn 元素，锡元素熔点为 232℃，添加锡可显著地降低钎料熔化温度区间，改善钎料流动性，细化共晶组织，提高润湿性能.研究证明，当W(Sn)≤5%时，Ag-Cu-Zn-Sn 四元合金加工性良好，添加量过大时，会导致钎料塑性降低。

(2) Ni 在银钎料中添加少量的 Ni元素可以提高钎料润湿性能，提高钎缝的塑性，通过润湿性的改善提高焊缝强度，改善加工性，使钎料易于加工成带状，但过量会带来钎料的液相线温度升高的问题。

(3) In 铟的熔点为 156.6℃。加入适量的 In 可显著降低银基钎料的 TS、TL。当

W(In)=1~10%，可以明显的缩小钎料熔化温度区间，提高钎料的润湿性。In 与 Ag、Cu、 Ni等元素均可形成固溶体。Sn 主要富集在富 Cu 的 β 相中，而 In 则均匀地分布在 α 相和β 相中，在银钎料中添加一定量的 In，可提高接头强度，但当 W(In)≥5%时，接头强度明显降低.

(4) Ga 常态下镓为银白色的金属，地壳中镓的储量丰富，其熔点为 29.8℃，沸点高达 2403℃。加入镓可使钎料熔化温度降低，Ga 与 Ag、Cu 均能形成固溶体，有利于改善合金钎料的加工性。但 Ga 的含量过高将使得合金变脆，难于加工。Ga 能够细化钎料组织，抑制金属间化合物长大；在 Ag-Cu-Zn 合金中加入 Ga，其综合性能明显优于含镉的银基钎料。但由于该钎料 Ag 和 Ga 含量较高，成本也相对提高。

此外，还有磷、铈、钴、硅、铋等元素，添加到银基钎料中可以提高钎料的高温强度，抑或改善润湿性和钎缝塑性，但这些元素的添加量都在一定范围，过量会大大降低钎料的塑性及接头强度.