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 藍(lán)寶石為α-Al 2 O 3 單晶，是一種具有高強(qiáng)度、高熱震抗力、高耐腐蝕性能和高透波率等優(yōu)異物理特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性相獨(dú)合的優(yōu)良晶體材料，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于紅外軍事裝備、衛(wèi)星的光學(xué)窗口、導(dǎo)彈整流罩等領(lǐng)域。現(xiàn)有的材料中，ZnS是唯一的較大的窗口材料，但其硬度不足，對(duì)光和物理波的散射嚴(yán)重，而且重量較大，價(jià)格昂貴，影響窗口的光學(xué)性能和力學(xué)性能。相對(duì)而言，藍(lán)寶石更輕、更亮、更薄、對(duì)光的散射更低�？梢灶A(yù)見，越開越多的窗口原件將選擇藍(lán)寶石作為元材料。因此，藍(lán)寶石與金屬基體的連接技術(shù)的研究尤顯重要。

     目前，國(guó)內(nèi)使用的藍(lán)寶石與金屬的連接方法為膠接和機(jī)械連接，了這些連接方法存在著較大的缺陷。膠接接頭強(qiáng)度低，且不能承受高溫（300 ℃以上 ），易老化，嚴(yán)重影響連接件的使用壽命和可靠性。機(jī)械連接構(gòu)建的氣密性不足，藍(lán)寶石螺孔加工困難，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而拉裂。藍(lán)寶石與金屬的連接技術(shù)作為目前飛行器的設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一而備受關(guān)注。美國(guó)、以色列、俄羅斯等國(guó)家，已經(jīng)將藍(lán)寶石和金屬的可靠連接結(jié)構(gòu)成功用于國(guó)防設(shè)備中。本文闡述了藍(lán)寶石與金屬的各種連接方法，并對(duì)其在連接工藝及性能等方面做了比較，重點(diǎn)分析了釬焊技術(shù)在藍(lán)寶石/金屬連接上的應(yīng)用。

1  藍(lán)寶石連接方法及其研究現(xiàn)狀

     藍(lán)寶石屬陶瓷類材料，與金屬的性能相差很大。因此，連接藍(lán)寶石與金屬，須解決焊料與藍(lán)寶石的物理化學(xué)反應(yīng)及熱膨脹系數(shù)的匹配問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用不同的連接方法，對(duì)藍(lán)寶石與金屬的連接做了大量研究。

1.1  熔接法

     使用熔接法焊接藍(lán)寶石與金屬的文獻(xiàn)目前鮮有報(bào)道。熔接法時(shí)通過高溫度使金屬才來(lái)哦熔化，藍(lán)寶石與金屬之間通過物理化學(xué)反應(yīng)而連接在一起。熔接法焊接時(shí)形成的熔化區(qū)很窄，加熱速度快，效率高，單會(huì)在連接部位產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，會(huì)降低連接的可靠性。熔接法難以形成面積較大的面-面連接，且工藝復(fù)雜、成品率低。采用這種連接方法焊接的過程中，還英愛采取嚴(yán)格的工藝措施，以防止母材的熱震失效和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

1.2  玻璃焊接

     在不同零件間加入玻璃或利用焊料熔化后形成的玻璃相來(lái)潤(rùn)濕并連接被焊工件的方法稱為玻璃焊法。趙德才采用MAS玻璃釬焊法和反應(yīng)燒結(jié)法兩種工藝，分別以MAS玻璃焊料和Al 2 O 3 系無(wú)機(jī)焊料為中間層進(jìn)行藍(lán)寶石的連接。采用MAS玻璃焊料時(shí)，所得街頭的最大四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為129 Mpa 。由于接頭中產(chǎn)生了微裂紋，斷裂均發(fā)生在釬縫內(nèi)部。采用純 Al 2 O 3 粉末中間層反應(yīng)燒結(jié)法連接藍(lán)寶石/藍(lán)寶石時(shí)，所得街頭的最高四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為193 Mpa ，單焊縫區(qū)發(fā)現(xiàn)了較多的氣孔和空洞等。用 98.5 Al 2 O 3 +1 SiO 2 +0.5MgO(wt%)的混合粉末作為中間層反應(yīng)燒結(jié)藍(lán)寶石與藍(lán)寶石時(shí)，在釬料層與母材之間局部區(qū)域已看不出連接接線，濕潤(rùn)性較好，存在明顯的反應(yīng)層，最高四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)224 Mpa 。從彎曲試驗(yàn)獲得的接頭斷口分析得出，該法所得試樣的斷裂基本上是從焊縫處起裂，然后向近界面的藍(lán)寶石中擴(kuò)展，最終在藍(lán)寶石中斷裂。在該試驗(yàn)中， SiO 2 和 MgO的加入能阻礙晶界移動(dòng)，抑制晶粒長(zhǎng)大，降低晶粒生長(zhǎng)速率。但無(wú)機(jī)金屬粉末的生坯密度有限，燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散阻力大，導(dǎo)致燒結(jié)后焊縫中的空洞沒有完全采用“閉合”。另外，焊料中的氣泡無(wú)法排出，最終聚集長(zhǎng)大，形成大缺陷。另一方面，焊料中的細(xì)顆粒的團(tuán)聚也會(huì)造成缺陷的產(chǎn)生。

     使用玻璃焊法所得焊縫中容易形成各種缺陷，且玻璃曾易受服飾，高溫穩(wěn)定性差。在焊后冷卻時(shí)，由于膨脹系數(shù)相差較大，焊縫中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致開裂。另外，玻玻璃焊法的焊接溫度普遍較高，不利于在藍(lán)寶石與金屬的焊接中的應(yīng)用。

1.3  釬焊

     釬焊時(shí)連接陶瓷與金屬最為長(zhǎng)用的方法之一。由于藍(lán)寶石的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，普通釬料很難再藍(lán)寶石表面鋪展。目前釬焊藍(lán)寶石與金屬的方法主要分為兩類：一類是直接采用含有活性金屬元素的釬料進(jìn)行釬焊，稱之為活性焊接；另一種是先對(duì)藍(lán)寶石表面進(jìn)行金屬化處理，再使用常規(guī)釬料釬焊連接，稱為間接焊接。

1.3.1  活性焊接

      采用活性焊接方法不需要在陶瓷表面進(jìn)行金屬化，但是所選用的釬料須含有活性元素，以利于釬料在藍(lán)寶石表面的潤(rùn)濕�；钚院噶现谐Ｓ玫幕钚栽�素包括：Ti、Zr、Cr、Ta、V等。目前，研究較多的活性釬料主要有Ag-Cu-Ti、Cu-Ti、Ag-Cu-Ti-Zr系。

     寧洪龍等人采用活性釬焊法研究了藍(lán)寶石與熱等靜壓99%氧化鋁的封接性能。在845℃-860℃，真空環(huán)境下，采用Ag-27.5Cu-2Ti焊料，獲得了結(jié)合強(qiáng)度為72.5 Mpa 的釬焊接頭。文獻(xiàn)研究使用 Ag-CuO-Ti系釬料焊接氧化鋁陶瓷（ Al 2 O 3 ＞ wt95% ），在釬焊溫度為1100℃，保溫時(shí)間為10Min時(shí)，Ag-CuO-Ti釬料的鋪展性能、界面硬度過渡情況和接頭強(qiáng)度最好。檔釬料成分含量為Ag-8CuO-0.5Ti（ wt% ）時(shí)，旗吶喊接頭的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到212.36 Mpa ，接頭的斷裂形式均為脆性斷裂。文獻(xiàn)作者認(rèn)為釬焊溫度低，保溫時(shí)間短，釬料與木材之間的互相作用時(shí)間短，界面沒有進(jìn)行充分反應(yīng)，反應(yīng)層厚度較��；反之則界面反應(yīng)月充分，反應(yīng)層厚。由于焊縫的反應(yīng)層都由脆性化合物組成，斷裂發(fā)生在鄰近釬縫的陶瓷側(cè)或釬焊界面處，裂紋沿脆性組織擴(kuò)展。所以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，陶瓷連接初期，應(yīng)設(shè)法促使界面反應(yīng)充分進(jìn)行，但在達(dá)到最佳厚度后迅速停止加熱，以防止接頭性能的下降。文獻(xiàn)報(bào)道了采用 Ag-Cu-Ti火星釬料直接釬焊99.7%的高純氧化鋁陶瓷與無(wú)氧銅，釬焊溫度850℃-900℃，焊后接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到90 Mpa，接頭由 Cu/Ag（Cu），Cu（Ag，Ti）/Cu 3 Ti 3 O（TiO 2 ）/ Al 2 O 3 組成，反應(yīng)層以 Cu 3 Ti 3 O為主。隨著釬焊溫度提高，銅基體向釬料側(cè)足部滲透，消耗部分活性元素Ti，反應(yīng)層的厚度和形態(tài)明顯發(fā)生變化，導(dǎo)致接頭的抗剪強(qiáng)度降低。顧小龍等人所做的類似研究中，在釬焊溫度為900℃，保溫時(shí)間為5min時(shí)，95% Al 2 O 3 陶瓷/ Ag-Cu-Ti/可伐合金4J33（Fe-15Co-33Ni）接頭抗剪請(qǐng)阿杜為144 Mpa ，其接頭斷裂只要發(fā)生在陶瓷 -釬料界面處，同時(shí)在界面中國(guó)形成的 TiFe 2 、TiNi 3 金屬間化合物層也會(huì)形成裂紋。

     使用70Cu-25Ti-5Zr釬料對(duì) Al 2 O 3/ Nb進(jìn)行釬焊時(shí)，在1293K、保溫10min的提哦啊劍俠，界面產(chǎn)生了三種新相： Cu 2 Ti 4 O、Ti固溶體、Cu，界面結(jié)構(gòu)為 Al 2 O 3// Cu 2 Ti 4 O/Ti固溶體/CuTi/Cu固溶體+CuTi。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明在上述焊接溫度和保溫時(shí)間下使用Cu70-Ti25-Zr5釬料的接頭請(qǐng)阿杜可達(dá)到162 Mpa ，增加或減少 Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及改變保溫時(shí)間都會(huì)使接頭抗剪強(qiáng)度下降。使用Ni-Ti釬焊高純 Al 2 O 3 所得的焊縫的中部為 Ti的固溶體，反應(yīng)層為Ti 2 Ni，形成一種三明治的牢固、致密的來(lái)你姐。專家在研究使用含Ti的Ag-Cu基釬料焊接藍(lán)寶石和KOVAR合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊縫中生成了Ti O 、Ti 2 O 2 、 Cu 3 Ti 3 O、Cu 2 Al Ti 3 O等含氧化合物。

     目前，在陶瓷與金屬的連接中，Ag-Cu-Ti釬料的應(yīng)用最為廣泛。采用這種方法連接藍(lán)寶石與金屬，方法簡(jiǎn)便，連接可靠，省時(shí)節(jié)能。

1.3.2  間接焊接法

     首先對(duì)藍(lán)寶石表面進(jìn)行金屬化（即表面活化）處理，然后用釬料把金屬鍍層和金屬釬焊在一起。釬焊工藝中，陶瓷材料表面常用的金屬化方法有Mo-Mn法、化學(xué)鍍活化、離子鍍活化等。

     Mo-Mn法的工藝過程為：將Mn O 2 與  Mo粉涂到陶瓷表面，在N 2 或H 2 氣氛中高溫?zé)�結(jié)，表面形成玻璃相，同時(shí)部分金屬氧化物被還原，產(chǎn)生金屬表面層。藍(lán)寶石是眼掛慮單晶，不存在晶界，不含玻璃相，采用高溫活化Mo-Mn法可以實(shí)現(xiàn)其金屬化，并能夠獲得比較滿意的封接效果。但與95%氧化鋁陶瓷相比，其封接強(qiáng)度的穩(wěn)定性尚有較大差距。造成這一情況的原因之一是藍(lán)寶石材料本身對(duì)缺陷更加敏感，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型較大。文獻(xiàn)采用  Mo-Mn法活化單晶寶石獲得了較好的金屬化層。專家采用  Mo-Mn法對(duì)95%氧化鋁陶瓷進(jìn)行金屬化，并將其與Ni進(jìn)行了連接，獲得了較高的結(jié)合強(qiáng)度。但是采用Mo-Mn法金屬化陶瓷耗時(shí)耗能，現(xiàn)在很少采用。

     張永清等采用化學(xué)鍍的方法在氧化鋁陶瓷表面鍍Ni，然后采用Ag-Cu與Q235鋼進(jìn)行釬焊，街頭的抗剪請(qǐng)阿杜達(dá)到了78 Mpa 。

     離子鍍是指在真空條件下，利用氣體放電使工作氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)（鍍料）部分離化，在工作氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)的離子轟擊作用下，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在被鍍物體表面的過程。離子鍍具有許多優(yōu)點(diǎn)，如溫度低，附著力好，沉積速度快，適用范圍廣、繞鍍性好等。文獻(xiàn)采用離子鍍的對(duì)藍(lán)寶石窗進(jìn)行金屬化后，采用 Ti-Ag-Cu釬焊含藍(lán)寶石與無(wú)氧銅，氣密性良好。

     朱勝等研究用了射頻濺射膜改善AIN陶瓷與金屬連接的方法：用射頻濺射將Ti、Al沉積到AIN表面，然后再真空爐中用Ag-19.5Cu-3Ti-5In釬焊連接AIN陶瓷（鍍Ti膜）-Cu和AIN（鍍AL）-Cu，所得試樣街頭的平均剪切強(qiáng)度分別為120 Mpa 和 127 Mpa ，比在相同條件下焊接未鍍膜的試樣所得街頭的平均剪切強(qiáng)度提高了約 30 Mpa 。

     另外，文獻(xiàn)成功實(shí)現(xiàn)了用磁控濺射離子鍍技術(shù)濺鍍 Ti膜，這為藍(lán)寶石的鍍Ti金屬化提供了參照。

     除以上金屬化方法外，還有真空蒸鍍、氣相沉積、離子注入、電鍍等金屬化方法。對(duì)于非氧化合物陶瓷與金屬的連接大多數(shù)采用PVD法第氧化鋁陶瓷表面形成氧化鈦膜，再用PVD沉積氧化鈦或金屬Ti薄膜，改性后將其與可閥合金釬焊連接，得到了抗拉強(qiáng)度小于100 Mpa 的接頭。