氧化鋁陶瓷不僅具有好的強度、硬度、耐磨性和耐蝕性，而且具有獨特電絕緣性能，因此在作為結(jié)構(gòu)材料和電絕緣材料兩方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。但是陶瓷材料固有的硬性和脆性使其難以加工與制造，需要與鋼等金屬連接起來，實現(xiàn)與金屬性能上的互補，以期獲得兼具陶瓷和金屬各自優(yōu)異性能的陶瓷一金屬復(fù)合構(gòu)件，更好地發(fā)揮氧化鋁陶瓷在作為結(jié)構(gòu)材料及電絕緣材料方面的優(yōu)越性能。
目前可應(yīng)用于氧化鋁陶瓷與鋼的焊接方法很多，其中主要為擴散焊和釬焊。釬焊具有連接溫度低、連接強度高及對基體性能影響小等特點，特別是真空釬焊以工件變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點成為氧化鋁陶瓷與鋼焊接的優(yōu)選技術(shù)之一。本文采用自行設(shè)計制備的Cu-Sn-Ti-Ni活性釬料對氧化鋁陶瓷與Cr12鋼進(jìn)行真空釬焊，并對接頭的界面組織結(jié)構(gòu)及連接質(zhì)量進(jìn)行了探討。
1試驗材料與方法
試驗用原材料為純度在99.9%以上的電解銅、海綿鈦、鎳塊和Cu70Sn30合金。用砂紙去皮處理后，用無水酒精清洗并吹干。嚴(yán)格按釬料成分稱取各原材料后，置于真空電弧爐中進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉多次以保證合金成分均勻，后將熔煉好的釬料合金壓制成粉末狀，并用丙酮清洗干凈。
選用99%的氧化鋁陶瓷，尺寸為10mmxl0mmx15mm,無需打磨；Cr12鋼尺寸為咖30mmxl0mm，用不同型號的砂紙逐層打磨，以去除表面氧化膜，后與陶瓷一起放入無水乙醇中反復(fù)清洗。稱取0.15g釬料，按氧化鋁陶瓷／釬料/Cr12鋼三明治的方式裝配，然后一同放置于真空釬焊爐中。先以10℃/min的速率升溫至800℃，再以5℃/min的速率升溫至設(shè)定的釬焊溫度，保溫5～20min。釬焊完成后以5℃/min的速率降溫至400℃，后隨爐冷卻到室溫。釬焊保溫期真空度不低于Sxl0-3Pa。焊后采用掃描電鏡(SEM)觀察界面微觀組織及斷口形貌；用能譜儀(EDS)測定反應(yīng)產(chǎn)物成分。使用特制的夾具，在GP-TS2000M/100KN(雙空間)高溫電子試驗機上進(jìn)行抗剪強度試驗，拉伸速度為0.05mm/s，較終得到接頭的室溫抗剪強度。
2試驗結(jié)果及分析
2.1釬焊接頭界面產(chǎn)物分析
圖1為釬焊溫度890℃、保溫時間10min時，氧化鋁陶瓷/Cu-Sn-Ti-Ni/Cr12鋼的接頭SEM照片?？煽闯?，釬料與兩側(cè)母材潤濕良好并形成良好的冶金界面結(jié)合。陶瓷與釬料間有明顯的反應(yīng)界面層，而釬料與金屬的反應(yīng)界面層不明顯。整個接頭界面主要由釬料層陶瓷側(cè)的深灰色帶狀物1、釬料層中部主要為淺灰色區(qū)域2（其間分布黑色點狀物）、釬料層鋼母材側(cè)寬約50μm的深灰色過度層3以及在金屬中分散的細(xì)小黑色顆粒層4組成。
為清楚地分析各反應(yīng)層的生成產(chǎn)物，分別對陶瓷側(cè)（圖1中I區(qū)）、釬料層中部（圖1中II區(qū)）和鋼母材側(cè)(圖1中III區(qū))放大，如圖2(a)、(b)、(c)所示?？煽闯?，I區(qū)主要由釬料層陶瓷側(cè)深灰色A及釬料層中的淺灰色B兩部分組成：II區(qū)為淺灰色B，中間分布著細(xì)小顆粒狀C、D;III區(qū)主要由深灰色E相組成，其間有白色帶狀物F和黑色點狀物G。對圖2中所標(biāo)注各點進(jìn)行能譜分析，得到了各點所在相的平均化學(xué)組成，初步確定了可能的生成產(chǎn)物，如表1所示。
圖3為釬焊溫度為890℃、保溫時間為10min下釬焊接頭焊縫電子探針線掃描分析結(jié)果。可以看出，釬料中Cu和Sn主要分布在釬料層內(nèi)部的淺灰色區(qū)域，Ti元素的波峰主要出現(xiàn)在靠近母材兩側(cè)，說明Ti向母材兩側(cè)偏聚：同時鋼母材中的Fe元素向釬料層中擴散。結(jié)合圖1和表1可以得出，在釬料層陶瓷側(cè)，Ti主要可能以Cu-Fe-Ti化合物存在，在釬料層鋼母材側(cè)，主要是和母材中的Fe元素生成TiFe2化合物。同時釬料Ti元素在釬料層鋼母材側(cè)的黑色細(xì)小顆粒處出現(xiàn)了一個波峰，即Ti元素在此偏聚，說明釬料中所含的一部分Ti與鋼母材中的某些元素結(jié)合生成了新的物相。結(jié)合圖1的物相能譜分析和文獻(xiàn)的研究結(jié)果推測，該物相為TiFe2和TiC化合物。
對比不同工藝參數(shù)下接頭組織變化，圖4為保溫lOmin、不同釬焊溫度時的接頭組織?？梢钥吹?，釬縫中的組織結(jié)構(gòu)基本相同。870℃時，釬料層中部的TiFe，化合物較少，當(dāng)溫度上升到930℃時，鋼母材中的Fe元素向釬料中擴散，釬料層中部的深灰色TiFe2化合物增多，且Ti元素向釬料層鋼母材側(cè)擴散趨勢增加，在釬料層鋼母材側(cè)生成TiFe2和TiC化合物。
圖5為釬焊溫度為890℃、保溫時間分別5和20min條件下接頭的界面結(jié)構(gòu)。當(dāng)保溫時間較短(5min)時，釬料層陶瓷側(cè)深灰色Ti化合物層厚，而保溫時間較長(20min)時，釬料層中部的深灰色TiFe2化合物多?？赡茉蚴牵弘S著保溫時間的延長，F(xiàn)e元素向釬料層擴散距離加大，與釬料中的Ti元素生產(chǎn)TiFe，化合物，消耗了釬料層中的Ti元素，從而減少了Ti元素向釬料層陶瓷側(cè)的擴散量，使釬料層陶瓷側(cè)中深灰色Ti化合物的量減少。
2.2抗剪強度
圖6(a)為固定保溫時間10min，不同釬焊溫度下接頭的抗剪強度變化曲線。圖6(b)為固定釬焊溫度890℃，不同保溫時間下的接頭抗剪強度變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)釬焊溫度較低或保溫時間較短時，接頭的抗剪強度較低，在釬焊溫度為890℃、保溫時間為10min時，接頭抗剪強度達(dá)到較大值，為118MPa;隨著釬焊溫度的增加或保溫時間的延長，接頭強度反而下降。
3結(jié)論
(1)釬料與兩側(cè)母材潤濕良好并形成良好的冶金界面結(jié)合：釬焊過程中，鋼母材中的Fe元素向釬料層中擴散，釬料中的Ti元素向兩側(cè)母材擴散并聚集。
(2)采用Cu-Sn-Ti-Ni釬料對氧化鋁陶瓷與Cr12鋼進(jìn)行真空活性釬焊，釬焊接頭界面產(chǎn)物主要為：釬料層陶瓷側(cè)的Cu-Fe-Ti化合物，釬料層中部的(Cu，Sn)固溶體和分布其中的CuxTiy和TixCy化合物，以及釬料層鋼母材側(cè)TiFe，和TiC化合物。
(3)當(dāng)釬焊溫度為890℃、保溫時間為10min時，接頭抗剪強度較高，為118MPa。