[发明专利]一种陶瓷与金属钎焊复合构件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷与金属钎焊领域，尤其涉及一种陶瓷与金属钎焊复合构件及 其制备方法。

背景技术

新型结构陶瓷材料具有强度高、硬度高、耐高温、抗腐蚀等优点，广泛应用 于机械、化工、电子等领域。但因陶瓷材料的本征脆性和强度分散等特点也使其 很难直接用来制造大尺寸和结构复杂的零件，限制了其应用。在许多场合下，陶 瓷材料需要同塑性、韧性及抗冲击能力强的金属结合在一起，以连接体的形式来 使用，使陶瓷与金属连接构成的复合构件可以获得金属、陶瓷性能互补的优势， 满足现代工程的需要。

但是，陶瓷与金属的化学成分和物理性能均有很大差别，特别是两者的线膨 胀系数差异很大，如作为陶瓷的Al₂O₃线膨胀系数为5.96×10^-6K^-1，Si₃N₄的线膨 胀系数只有3.2×10^-6K^-1，而金属A1和Fe的线膨胀系数高达23.6×10^-6K^-1和11.7 ×10^-6K^-1。

现有技术中，常用的连接金属与陶瓷的方法是钎焊，即通过钎料熔化使陶瓷 与金属连接。在钎焊的加热和冷却过程中，陶瓷、金属各自产生膨胀和收缩，由 于其线膨胀系数差异较大，造成冷却后在接头界面及附近产生较大的残余应力。 残余应力对构件的承载能力、疲劳强度、抗应力腐蚀能力、构件精度、尺寸稳定 性和使用寿命都有很大影响。随着陶瓷与金属连接接头残余应力的增加，接头的 力学性能(如拉伸、剪切强度)降低，疲劳性能下降。因而，探索陶瓷与金属之 间残余应力的缓解措施，对实现二者的高可靠性的连接尤为重要。

目前国内外缓解残余应力的途径主要集中在以下几个方面：第一，选择合适 的连接材料，例如尽量选用热膨胀系数相近的连接材料等；第二，设计合理的连 接结构，通过合理的连接结构来降低、抵消和转移残余应力，针对每一种具体的 构件需要具体分析和设计；第三，采用合理的焊接工艺，该方法也能够有效的降 低残余应力，但是缓解的程度有限；第四，添加中间层，这是迄今应用最广泛， 也是最成功的方法。通过中间层来缓解陶瓷与金属连接接头的残余应力，并取得 了一定效果。但是现有的中间层仍具有吸能作用有限、不能有效止裂的缺陷。并 且，由于残余应力随着接头面积的增大而增大，而中间层缓解残余应力的能力有 限，因而陶瓷与金属的接头面积较大时缓解效果不理想。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷与金属钎焊复合构件，并提 供通过钎焊法制备该构件的制备方法，通过在陶瓷和金属的待焊面之间添加含有 泡沫金属的中间层，能够均匀分散并有效的吸收残余应变能，缓解连接界面的残 余应力，从而显著提高陶瓷与金属钎焊复合构件的强度和热疲劳性能。

本发明的一个实施方式在于提供一种陶瓷与金属钎焊复合构件，包括金属、 陶瓷以及在陶瓷和金属的待焊面之间形成的中间层，所述中间层含有上层钎料、 泡沫金属层和下层钎料。

本发明的发明人经研究发现，通过在陶瓷和金属的待焊面之间形成含有泡沫 金属的中间层，能够缓解连接界面的残余应力，具有优异的压缩应力-应变特性， 同时能够控制陶瓷和金属在钎焊时发生的界面反应，改变或抑制界面反应产物， 因而能够显著提高陶瓷与金属钎焊复合构件的强度和热疲劳性能。

发明人认为，这与泡沫金属独特的结构特点有关。从微观角度来说，泡沫金 属含有多个无方向性的泡沫气孔，在钎焊过程中，上层钎料和下层钎料在高温下 熔化，分别渗透到泡沫金属层两侧表面的多孔结构中，待钎焊完成后，熔融的钎 料在各泡沫气孔中分别独立地凝固收缩，难以形成在整个接头面积上应力的叠 加。换句话说，钎焊过程中集中作用于连接界面的残余应力被泡沫金属层中的泡 沫气孔分散并吸收，从而赋予中间层以良好的吸能减震性能。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属层选自Ni、Mo、Cu、 Ti、Al或W及其合金中的至少一种。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属的孔隙率为20％-95％， 优选为60％-90％。若泡沫金属的孔隙率低于20％，则不能充分发挥其吸能减震的 作用；而若泡沫金属的孔隙率大于95％，则会影响复合构件的整体强度。