异种材料焊接接头热应力缓冲中间层的研究现状

徐振钦，杨宗辉

（南京工程学院 材料工程学院，南京211167）

0 引 言

异种材料的扩散焊或钎焊焊接能够最大限度地利用被连接材料的各自优点满足结构对材料性能的要求。但由于被焊接材料在弹性模量及线膨胀系数上的差异，异种材料焊接接头会产生很大的热应力。热应力会大大降低接头的连接强度和抗热震性能，当被连接材料一方为脆性材料时，如各类陶瓷，热应力往往造成接头直接开裂。因此，对于异种材料接头，特别是线膨胀系数相差很大的异种材料接头，如何降低接头热应力是研究者关心的主要问题之一。经过多年的研究与实践，国内外研究者发展了常温结合法、中间层法、改变结合部位形状法、局部加热法、接合部位离散化、避免拉伸载荷法、相变释应力法、控制显微裂纹法等［1－2］多种方法来降低扩散焊或钎焊焊接接头的热应力。综合降应力效果、工艺复杂程度、适应性等因素，中间层法最具实用性。同时，中间层法也是其它方法应用的基础，其中热应力缓冲中间层的选择是此方法的关键。中间层置入扩散焊或钎焊接头有多种方法，主要包括直接置入、电镀、化学、等离子喷涂、离子镀、离子注入等，其中以直接置入薄片状或粉末态中间层法最为经济实用，应用最广。为了给国内相关研究技术人员提供参考，作者对近些年来异种材料焊接接头热应力缓冲中间层的研究成果进行了综述。

1 热应力缓冲中间层的基本类型

异种材料接头热应力缓冲中间层的类型很多，其降应力效果、制备方法、工艺难度均有很大区别［3－4］。概括起来异种材料接头热应力缓冲中间层的常见类型有以下6种。

1.1 软质中间层

此中间层主要是采用一些软质金属材料。铝、铜、镍等纯金属因塑性好、屈服强度低，常用作此类中间层，它主要是依靠软中间层的微塑性变形来释放接头热应力。

1.2 硬质中间层

此中间层主要是采用一些硬质金属材料。钨、钼、钽等硬质金属因弹性模量大、线膨胀系数小，可以减小连接材料之间的物理性能失配，从而减小连接接头的热应力。

1.3 复层中间层

此中间层使用软硬不同的金属所组成，根据需要可选择二层或三层，相对于单一的软质或硬质中间层，复层中间层综合了软、硬中间层的优点，具有更好的接头热应力缓冲效果，尤其适合热膨胀系数相差较大的陶瓷与金属接头。

1.4 复合材料中间层

复合材料中间层设计的基本原理是在相对较软的基体相（或粘结相）中加入颗粒状、纤维状等硬质相，利用基体相（或粘结相）保证中间层良好的塑、韧性，利用硬质相实现中间层的高温强度和低线膨胀系数。硬质相多以混合粉末的形式直接加入，也可利用焊接过程的化学反应原位生成。此中间层可通过改变硬质相与软质相的配比来调节自身线膨胀系数，进一步减小连接材料之间的物理性能失配使接头降热应力效果进一步优化。

1.5 吸能夹层中间层

此中间层主要是采用一些多孔材料，如金属纤维滤网、金属泡沫、陶瓷纤维滤饼等，再配合合适的钎料形成。由于这种中间层具有特殊的吸能作用和止裂作用可取得较好的缓冲接头热应力的效果。

1.6 功能梯度中间层

此中间层采用功能梯度材料，其物理性能随之呈梯度变化，从而最大限度地减小因两种被连接材料的性能失配而引起的接头热应力。

单层的软质或硬质中间层降热应力原理明确，应用工艺相对简单，但降热应力效果有限，特别是对于一些物理性能差异很大的异种材料焊接，采用单中间层的焊接接头难以达到使用要求。降热应力效果更好、具有更大设计空间的复层中间层、复合材料中间层、吸能夹层中间层及功能梯度中间层成为近年来的研究热点，作者主要以这4种类型中间层为对象，综述近年来扩散焊／钎焊用中间层的研究现状。

2 热应力缓冲中间层的研究现状

在各类异种材料焊接接头中，由于陶瓷／钢、钨／铜、钨／钢等接头属于典型的线膨胀系数和弹性模量均相差很大的异种材料接头，接头的热应力相当大。同时，陶瓷、钨等属于脆性材料，对接头热应力特别敏感，对热应力缓冲中间层的要求非常高。因此，下面主要以陶瓷／钢、钨／铜、钨／钢等接头作为对象对热应力缓冲中间层进行综述。

2.1 复层中间层

复层中间层应力缓冲效果明显，并且工艺简单。复层中间层组合形式很多，常见的有软层＋硬层、软层＋硬层＋软层、硬层＋硬层等三种，各层材料性能及厚度对热应力松弛效果有很大影响。

复层中间层研究最多的组合为硬层＋软层模式，硬层多使用纯钨或纯钼，或是线膨胀系数小的镍合金、Kovar合金等，而软层可以是软质纯金属，也可以是合金钎料层。Travessaa［5］等采用钛＋铜中间层焊接Al2O3陶瓷与304不锈钢，有限元分析和试验发现此中间层相对于单一的钛、铜或钼中间层更有利于缓解接头热应力，接头强度达到65MPa。Zhou等［6］同样采用有限元分析和试验相结合的方法，发现Si3N4陶瓷／钢接头采用铜＋钨中间层相对于采用单一的钛、铜、钨中间层，具有更小的接头热应力和最高的接头强度。为了进一步加强钨硬层与陶瓷的结合力，可采用两步法进行焊接。Zhong等［7］在采用钨＋镍中间层焊接SiC陶瓷和铁素体不锈钢时，先在1 600℃高温焊接SiC陶瓷和钨，然后再在较低温度下焊接形成SiC／钨／镍／钢接头，接头抗拉强度达到55MPa。同样采用两步法，Zhong等还以钨＋铜为中间层实现了SiC陶瓷和钢的焊接［8］。

为了降低焊接温度，软层可采用合金钎料层，硬层以嵌在钎料层中的形式置入。张勇等［9］以钨片作为硬层，以镍基高温钎料作为软层焊接GH2907合金与碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料，发现钨片厚度对接头接强度有重要影响，当其厚1.5mm时，接头四点抗弯强度达到最大值109MPa。Hao等［10］以钼片作为硬层，以银铜钛钎料为软层焊接Al2O3陶瓷和1Cr18Ni9Ti钢时，也发现硬层钼片存在最佳厚度（0.1mm），并从界面应力和界面组织两方面论述了硬层钼片促进接头强度提高的原因。Kalin等［11］焊接钨和钢时，在镍基非晶钎料（厚度35～40μm）接头中置入一块厚0.5mm、线膨胀系数只有6.0×10－6℃－1的铁镍合金，焊后热震测试（加热700℃保温20min，然后在水中激冷）100次没有发现任何裂纹。文献［12］则主要利用金属钽的低线膨胀系数（6.6～8.0）×10－6℃－1，设计了钛基钎料＋厚100μm的金属钽＋铁基钎料的软＋硬＋软中间层来焊接钨与钢。对钎焊接头热震（720℃空冷至20℃）30次，接头没有出现裂纹［12］。

除上面软硬结合的复层中间层外，还有少量研究采用硬层＋硬层结构形式，其目的是为了加强接头的耐高温性能。Travessaa等［5］采用钛＋钼中间层焊接Al2O3陶瓷和304不锈钢，但应力缓冲效果不如钛＋铜中间层，接头强度为27MPa。冀小强等［13］采用锆＋铌中间层焊接SiC陶瓷和镍基高温合金，其抗弯强度达到了陶瓷母材强度的52%。

2.2 吸能夹层中间层

吸能夹层中间层一般采用钎料中间置入具有吸能特性夹层的方式组成复合中间层。由于夹层本身的强度一般较低，并且夹层与钎料的结合强度有限，导致该方法的研究并不多。朱定一等［14］采用镍钛钎料＋金属钼网中间层的形式焊接Al2O3陶瓷和铌，接头强度比不加钼网接头的提高130%以上。并且，接头具有良好的热震抗力，700℃淬水后的剩余强度达到了不加网的焊后强度。该文献分析认为金属钼网的加入显著降低了钎焊界面的残余应力。Shirzadia等［15］研究以不锈钢金属泡沫＋钎料作为Al2O3陶瓷／316L不锈钢接头的吸能夹层中间层，其接头抗剪强度达到33MPa，且能经受超过60次200～800℃的热震。任艳红［16］认为金属泡沫具有显著的能量吸收特性，作为异种材料接头中间层具有很好的应力缓冲效果，但存在一个最佳的泡沫层厚度。

2.3 复合材料中间层

硬质相直接以混合粉末加入得到复合材料中间层的方法具有工艺简单和硬质相含量方便调节的优点。熊进辉等［17］利用银铜钛钎料＋钨颗粒相复合材料中间层焊接SiC陶瓷与TC4合金，由于钨相既强化了中间层，又缓解了接头的热应力，使其接头的抗剪强度明显高于不添加钨相接头的。Rabin等［18］以4.0mm 厚的40%Al2O3－60%Ni（体积分数）复合材料作为中间层焊接Al2O3陶瓷与镍，通过实测接头应力状态，发现界面区应力在焊接冷却过程得到有效释放，而应力释放的重要原因在于中间层的损伤积累。Zhong等［19］采用钨钯镍混合粉作为中间层，焊接SiC陶瓷与钢，焊接分为两步，首先高温下实现SiC陶瓷与钨钯镍混合粉的焊接，然后在相对低温下焊接钨钯镍混合粉与钢。由于中间层与SiC的良好结合能力及降热应力作用，此接头平均抗剪强度达到了33MPa。Songa等［20］开发了一种银铜钛钎料＋Si3N4颗粒的复合材料中间层，以焊接Si3N4陶瓷与TiAl合金。通过Si3N4颗粒强化及Si3N4调整中间层的线膨胀系数，提高了接头强度，在含3%Si3N4（质量分数）颗粒时，接头强度达到115MPa。Zhang等［21］在焊接Si3N4陶瓷和42CrMo时，设计了银铜钛＋钼复合材料中间层。含10%钼粉（体积分数）中间层对应的接头强度最大值达到587.3MPa，相对于没有添加钼粉的银铜钛钎料的钎焊接头，强度提高了414.3%。Greuner等［22］采用等离子喷涂法在不锈钢表面制备厚钨涂层，在喷涂纯钨前，先在不锈钢基体上喷涂一层钨与不锈钢的混合粉末涂层。该混合粉末涂层既加强了纯钨涂层与不锈钢基体的结合力，同时也成为纯钨涂层与不锈钢基体之间的热应力缓冲中间层。热载试验表明，钨涂层／不锈钢构件能经受的热静载达到2.5MW·m－2，热动载达到2MW·m－2。田亮等［23］利用Ti50Cu＋钨颗粒复合钎料焊接陶瓷与钢，当钨颗粒较少时，降热应力效果不明显，接头强度低，当钨颗粒含量达到30%后接头强度达到106MPa。

通过焊接过程的化学反应生成硬质相来形成复合材料中间层，对中间层成分设计要求很高。由于生成大量化合物可能造成中间层的脆化，目前的研究主要还是以生成少量化合物为主。Yang等［24］利用65.9Cu－24.4Ti－9.7TiB2（质量分数）复合钎料中间层焊接Al2O3陶瓷与钛合金。TiB2与从母材扩散过来的钛元素反应，在（Ti，Al）2Cu和 AlCu2Ti金属间化合物表面原位合成TiB晶须。TiB晶须的形成降低了钎料中间层与Al2O3的线膨胀系数差，进而降低了接头热应力，接头的最大抗剪强度达到143.3MPa。Lina等［25］以同样的思路，利用铜镍钎料＋TiB2实现了碳－碳复合材料／钛基复合材料的高质量焊接。值得指出的是，邹贵生等在研究Si3N4陶瓷的焊接时，发展了多种复合材料中间层设计思路与方法，其思路的核心是通过设计合适的钎 料 成 分，在 中 间 层 中 原 位 生 成 Al3Ti［26－27］、AlCu2Ti［28］、Al3Zr、Al3V及 Al6V［29］等硬质金属间化合物层，在提高软质钎料中间层热强性的同时，也降低了中间层的线膨胀系数。作者在焊接钨与铜前，为了降低接头热应力，利用热浸镀方法，使钨表层生成一层类似于钨基高密度合金组织的小膨胀系数复合材料中间层［30］，但降热应力效果还有待试验验证。

2.4 功能梯度中间层

功能梯度中间层实际上是在复合材料中间层的基础上发展起来的，即通过复合材料中间层在两母材之间的成分梯度化，使中间层的线膨胀系数等物理性能随之呈现梯度变化。但功能梯度中间层相对普通的复合材料中间层，其设计因素、制备工艺、应用效果等方面有很大不同。

种法力等［31］则先采用真空等离子喷涂法在铜上制备钨＋铜功能梯度中间层，然后把钨与功能梯度中间层通过电子束焊焊接实现铜与钨的焊接。该工艺虽然复杂，但结果表明，钨＋铜功能梯度中间层对钨／铜接头具有良好的降热应力效果，在4.5MW·m－2、25s辐照、100周热疲劳的热负荷条件下，接头仍然完好，没有出现破裂现象。为了省去后续钨与中间层的焊接步骤，可在喷涂完中间层后，继续喷涂一层纯钨来作为高温工作层。如Montanari等［32］在铜铬锆合金基体上等离子喷涂制备厚钨涂层时，先在基体上等离子喷涂制备出800μm厚、但具有20层的复杂梯度中间层，基本实现 由 钨 至 铜 的 物 理 性 能 渐 变。Riccardi［33］和Pintsuk［34］也以同样的思路，真空等离子喷涂制备了带功能梯度中间层的钨／铜复合结构，并且系统研究了该钨／铜复合结构的热机械性能、热物理性能、应力缓和性能等重要的技术参数。结果表明，采用钨含量从75%开始，以每层5%递增至100%纯钨的功能梯度中间层具有最好的应力缓和效果。

Lia等［35］为了提高 YSZ陶瓷／Ni－20Cr钢接头的热疲劳性能，采用了YSZ＋NiCr功能梯度中间层，相应接头经受30次室温～1 000℃严酷热循环后的强度达到207.0MPa。为了提高陶瓷与不锈钢的焊接质量，Gillia［4］等采用热等静压烧结的方法制备了氧化锆陶瓷与多种不锈钢材料的功能梯度中间层。研究发现，氧化锆陶瓷粉与奥氏体不锈钢粉烧结的中间层容易出现微裂纹，而氧化锆陶瓷粉与马氏体不锈钢粉与烧结的中间层不易出现微裂纹。刘红兵等［36］在焊接Al2O3陶瓷与316L不锈钢时，设计了四层结构的由Al2O3＋316L粉等离子喷涂制备的功能梯度中间层，厚度约0.4mm。该文献还运用有限元软件分析梯度层层数、成分分布指数、梯度中间层厚度等参数对Al2O3／316L接头热应力的影响。试验和数值模拟结果均表明，功能梯度层在很大程度上缓和了Al2O3／316L接头的热应力，且各应力分量最大值均明显降低。林严资等［37］则研究了Al2O3／功能梯度中间层／CLAM钢接头界面区的残余应力分布特征，当梯度中间层的成分分布指数取0.8、层数为6、厚度为0.6mm时，接头界面各向应力分布可以达到最优。李云凯等［38］采用热压法制备由PSZ陶瓷粉与和钼粉组成的功能梯度中间层来焊接PSZ陶瓷与钼，并利用有限元分析方法设计出具有最优降热应力效果的功能梯度中间层（1mm厚、6层、形状分布因子1.6），用该功能梯度中间层焊接的PSZ陶瓷／钼接头能经受超过120次的风冷热震循环。为了降低接头应力并缩短实验时间，徐金富等［39］采用放电等离子烧结（SPS）技术制备功能梯度中间层焊接MoSi2陶瓷与316L不锈钢，经过有限元优化设计后的接头能经受1 200℃空冷至室温的苛刻热循环。

3 结束语

选择或设计合适的中间层是缓解异种材料接头热应力的有效手段。复层中间层工艺简单，热应力缓冲效果受中间层材料本身的限制，难以通过优化设计达到一个很高的水平。吸能夹层中间层为缓冲接头热应力拓展了一条新思路，如能解决好夹层与钎料层的结合强度问题，随着金属泡沫材料等吸能材料技术的进步，吸能夹层中间层对于异种材料焊接很有应用前景。复合材料中间层能方便调节自身的线膨胀系数，通过选择合适的复合材料类型，并对其成分配比优化设计，复合材料中间层能取得很好的应力缓冲效果。同时，采用复合材料中间层的焊接过程实际上为钎焊过程，具有焊接压力要求小、对焊接端面加工要求低等优点。因此，复合材料中间层对异种材料焊接具有明显优势。在复合材料中间层的基础上发展起来的功能梯度中间层具有焊接工艺相对复杂的缺点，但从理论上讲，功能梯度中间层是解决异种材料接头力学性能适配、最大限度降低接头热应力的最佳解决方案，值得从梯度层结构优化设计、制备工艺以及接头的应力缓冲效果表征等方面开展深入研究。

综合考虑异种材料焊接工艺的难易程度、经济性、焊接质量及适应性，作者认为复合材料中间层和含吸能夹层的复层中间层最有发展前景，原因在于大多数异种材料接头，不但存在接头降热应力问题，并且存在界面冶金焊接质量问题，而采用这两种中间层正好能从软质相方面灵活地解决界面冶金焊接质量问题，从硬质相方面有效地解决接头应力问题。同时，采用上述两种中间层，多数情况下可一次完成焊接，不需要复杂的方法与工艺，降低了生产成本。而结合机械合金化、金属间化合物的原位生成，泡沫材料、纳米材料等现代技术，还能使复合材料中间层和含吸能夹层的复层中间层得到进一步的发展。

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