徐振欽，楊宗輝

（南京工程學(xué)院 材料工程學(xué)院，南京211167）

0 引 言

異種材料的擴(kuò)散焊或釬焊焊接能夠最大限度地利用被連接材料的各自優(yōu)點(diǎn)滿足結(jié)構(gòu)對材料性能的要求。但由于被焊接材料在彈性模量及線膨脹系數(shù)上的差異，異種材料焊接接頭會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會大大降低接頭的連接強(qiáng)度和抗熱震性能，當(dāng)被連接材料一方為脆性材料時(shí)，如各類陶瓷，熱應(yīng)力往往造成接頭直接開裂。因此，對于異種材料接頭，特別是線膨脹系數(shù)相差很大的異種材料接頭，如何降低接頭熱應(yīng)力是研究者關(guān)心的主要問題之一。經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，國內(nèi)外研究者發(fā)展了常溫結(jié)合法、中間層法、改變結(jié)合部位形狀法、局部加熱法、接合部位離散化、避免拉伸載荷法、相變釋應(yīng)力法、控制顯微裂紋法等［1－2］多種方法來降低擴(kuò)散焊或釬焊焊接接頭的熱應(yīng)力。綜合降應(yīng)力效果、工藝復(fù)雜程度、適應(yīng)性等因素，中間層法最具實(shí)用性。同時(shí)，中間層法也是其它方法應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中熱應(yīng)力緩沖中間層的選擇是此方法的關(guān)鍵。中間層置入擴(kuò)散焊或釬焊接頭有多種方法，主要包括直接置入、電鍍、化學(xué)、等離子噴涂、離子鍍、離子注入等，其中以直接置入薄片狀或粉末態(tài)中間層法最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，應(yīng)用最廣。為了給國內(nèi)相關(guān)研究技術(shù)人員提供參考，作者對近些年來異種材料焊接接頭熱應(yīng)力緩沖中間層的研究成果進(jìn)行了綜述。

1 熱應(yīng)力緩沖中間層的基本類型

異種材料接頭熱應(yīng)力緩沖中間層的類型很多，其降應(yīng)力效果、制備方法、工藝難度均有很大區(qū)別［3－4］。概括起來異種材料接頭熱應(yīng)力緩沖中間層的常見類型有以下6種。

1.1 軟質(zhì)中間層

此中間層主要是采用一些軟質(zhì)金屬材料。鋁、銅、鎳等純金屬因塑性好、屈服強(qiáng)度低，常用作此類中間層，它主要是依靠軟中間層的微塑性變形來釋放接頭熱應(yīng)力。

1.2 硬質(zhì)中間層

此中間層主要是采用一些硬質(zhì)金屬材料。鎢、鉬、鉭等硬質(zhì)金屬因彈性模量大、線膨脹系數(shù)小，可以減小連接材料之間的物理性能失配，從而減小連接接頭的熱應(yīng)力。

1.3 復(fù)層中間層

此中間層使用軟硬不同的金屬所組成，根據(jù)需要可選擇二層或三層，相對于單一的軟質(zhì)或硬質(zhì)中間層，復(fù)層中間層綜合了軟、硬中間層的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的接頭熱應(yīng)力緩沖效果，尤其適合熱膨脹系數(shù)相差較大的陶瓷與金屬接頭。

1.4 復(fù)合材料中間層

復(fù)合材料中間層設(shè)計(jì)的基本原理是在相對較軟的基體相（或粘結(jié)相）中加入顆粒狀、纖維狀等硬質(zhì)相，利用基體相（或粘結(jié)相）保證中間層良好的塑、韌性，利用硬質(zhì)相實(shí)現(xiàn)中間層的高溫強(qiáng)度和低線膨脹系數(shù)。硬質(zhì)相多以混合粉末的形式直接加入，也可利用焊接過程的化學(xué)反應(yīng)原位生成。此中間層可通過改變硬質(zhì)相與軟質(zhì)相的配比來調(diào)節(jié)自身線膨脹系數(shù)，進(jìn)一步減小連接材料之間的物理性能失配使接頭降熱應(yīng)力效果進(jìn)一步優(yōu)化。

1.5 吸能夾層中間層

此中間層主要是采用一些多孔材料，如金屬纖維濾網(wǎng)、金屬泡沫、陶瓷纖維濾餅等，再配合合適的釬料形成。由于這種中間層具有特殊的吸能作用和止裂作用可取得較好的緩沖接頭熱應(yīng)力的效果。

1.6 功能梯度中間層

此中間層采用功能梯度材料，其物理性能隨之呈梯度變化，從而最大限度地減小因兩種被連接材料的性能失配而引起的接頭熱應(yīng)力。

單層的軟質(zhì)或硬質(zhì)中間層降熱應(yīng)力原理明確，應(yīng)用工藝相對簡單，但降熱應(yīng)力效果有限，特別是對于一些物理性能差異很大的異種材料焊接，采用單中間層的焊接接頭難以達(dá)到使用要求。降熱應(yīng)力效果更好、具有更大設(shè)計(jì)空間的復(fù)層中間層、復(fù)合材料中間層、吸能夾層中間層及功能梯度中間層成為近年來的研究熱點(diǎn)，作者主要以這4種類型中間層為對象，綜述近年來擴(kuò)散焊／釬焊用中間層的研究現(xiàn)狀。

2 熱應(yīng)力緩沖中間層的研究現(xiàn)狀

在各類異種材料焊接接頭中，由于陶瓷／鋼、鎢／銅、鎢／鋼等接頭屬于典型的線膨脹系數(shù)和彈性模量均相差很大的異種材料接頭，接頭的熱應(yīng)力相當(dāng)大。同時(shí)，陶瓷、鎢等屬于脆性材料，對接頭熱應(yīng)力特別敏感，對熱應(yīng)力緩沖中間層的要求非常高。因此，下面主要以陶瓷／鋼、鎢／銅、鎢／鋼等接頭作為對象對熱應(yīng)力緩沖中間層進(jìn)行綜述。

2.1 復(fù)層中間層

復(fù)層中間層應(yīng)力緩沖效果明顯，并且工藝簡單。復(fù)層中間層組合形式很多，常見的有軟層＋硬層、軟層＋硬層＋軟層、硬層＋硬層等三種，各層材料性能及厚度對熱應(yīng)力松弛效果有很大影響。

復(fù)層中間層研究最多的組合為硬層＋軟層模式，硬層多使用純鎢或純鉬，或是線膨脹系數(shù)小的鎳合金、Kovar合金等，而軟層可以是軟質(zhì)純金屬，也可以是合金釬料層。Travessaa［5］等采用鈦＋銅中間層焊接Al2O3陶瓷與304不銹鋼，有限元分析和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此中間層相對于單一的鈦、銅或鉬中間層更有利于緩解接頭熱應(yīng)力，接頭強(qiáng)度達(dá)到65MPa。Zhou等［6］同樣采用有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)Si3N4陶瓷／鋼接頭采用銅＋鎢中間層相對于采用單一的鈦、銅、鎢中間層，具有更小的接頭熱應(yīng)力和最高的接頭強(qiáng)度。為了進(jìn)一步加強(qiáng)鎢硬層與陶瓷的結(jié)合力，可采用兩步法進(jìn)行焊接。Zhong等［7］在采用鎢＋鎳中間層焊接SiC陶瓷和鐵素體不銹鋼時(shí)，先在1 600℃高溫焊接SiC陶瓷和鎢，然后再在較低溫度下焊接形成SiC／鎢／鎳／鋼接頭，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到55MPa。同樣采用兩步法，Zhong等還以鎢＋銅為中間層實(shí)現(xiàn)了SiC陶瓷和鋼的焊接［8］。

為了降低焊接溫度，軟層可采用合金釬料層，硬層以嵌在釬料層中的形式置入。張勇等［9］以鎢片作為硬層，以鎳基高溫釬料作為軟層焊接GH2907合金與碳纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)鎢片厚度對接頭接強(qiáng)度有重要影響，當(dāng)其厚1.5mm時(shí)，接頭四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值109MPa。Hao等［10］以鉬片作為硬層，以銀銅鈦釬料為軟層焊接Al2O3陶瓷和1Cr18Ni9Ti鋼時(shí)，也發(fā)現(xiàn)硬層鉬片存在最佳厚度（0.1mm），并從界面應(yīng)力和界面組織兩方面論述了硬層鉬片促進(jìn)接頭強(qiáng)度提高的原因。Kalin等［11］焊接鎢和鋼時(shí)，在鎳基非晶釬料（厚度35～40μm）接頭中置入一塊厚0.5mm、線膨脹系數(shù)只有6.0×10－6℃－1的鐵鎳合金，焊后熱震測試（加熱700℃保溫20min，然后在水中激冷）100次沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。文獻(xiàn)［12］則主要利用金屬鉭的低線膨脹系數(shù)（6.6～8.0）×10－6℃－1，設(shè)計(jì)了鈦基釬料＋厚100μm的金屬鉭＋鐵基釬料的軟＋硬＋軟中間層來焊接鎢與鋼。對釬焊接頭熱震（720℃空冷至20℃）30次，接頭沒有出現(xiàn)裂紋［12］。

除上面軟硬結(jié)合的復(fù)層中間層外，還有少量研究采用硬層＋硬層結(jié)構(gòu)形式，其目的是為了加強(qiáng)接頭的耐高溫性能。Travessaa等［5］采用鈦＋鉬中間層焊接Al2O3陶瓷和304不銹鋼，但應(yīng)力緩沖效果不如鈦＋銅中間層，接頭強(qiáng)度為27MPa。冀小強(qiáng)等［13］采用鋯＋鈮中間層焊接SiC陶瓷和鎳基高溫合金，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到了陶瓷母材強(qiáng)度的52%。

2.2 吸能夾層中間層

吸能夾層中間層一般采用釬料中間置入具有吸能特性夾層的方式組成復(fù)合中間層。由于夾層本身的強(qiáng)度一般較低，并且夾層與釬料的結(jié)合強(qiáng)度有限，導(dǎo)致該方法的研究并不多。朱定一等［14］采用鎳鈦釬料＋金屬鉬網(wǎng)中間層的形式焊接Al2O3陶瓷和鈮，接頭強(qiáng)度比不加鉬網(wǎng)接頭的提高130%以上。并且，接頭具有良好的熱震抗力，700℃淬水后的剩余強(qiáng)度達(dá)到了不加網(wǎng)的焊后強(qiáng)度。該文獻(xiàn)分析認(rèn)為金屬鉬網(wǎng)的加入顯著降低了釬焊界面的殘余應(yīng)力。Shirzadia等［15］研究以不銹鋼金屬泡沫＋釬料作為Al2O3陶瓷／316L不銹鋼接頭的吸能夾層中間層，其接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到33MPa，且能經(jīng)受超過60次200～800℃的熱震。任艷紅［16］認(rèn)為金屬泡沫具有顯著的能量吸收特性，作為異種材料接頭中間層具有很好的應(yīng)力緩沖效果，但存在一個(gè)最佳的泡沫層厚度。

2.3 復(fù)合材料中間層

硬質(zhì)相直接以混合粉末加入得到復(fù)合材料中間層的方法具有工藝簡單和硬質(zhì)相含量方便調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。熊進(jìn)輝等［17］利用銀銅鈦釬料＋鎢顆粒相復(fù)合材料中間層焊接SiC陶瓷與TC4合金，由于鎢相既強(qiáng)化了中間層，又緩解了接頭的熱應(yīng)力，使其接頭的抗剪強(qiáng)度明顯高于不添加鎢相接頭的。Rabin等［18］以4.0mm 厚的40%Al2O3－60%Ni（體積分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料作為中間層焊接Al2O3陶瓷與鎳，通過實(shí)測接頭應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)界面區(qū)應(yīng)力在焊接冷卻過程得到有效釋放，而應(yīng)力釋放的重要原因在于中間層的損傷積累。Zhong等［19］采用鎢鈀鎳混合粉作為中間層，焊接SiC陶瓷與鋼，焊接分為兩步，首先高溫下實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷與鎢鈀鎳混合粉的焊接，然后在相對低溫下焊接鎢鈀鎳混合粉與鋼。由于中間層與SiC的良好結(jié)合能力及降熱應(yīng)力作用，此接頭平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到了33MPa。Songa等［20］開發(fā)了一種銀銅鈦釬料＋Si3N4顆粒的復(fù)合材料中間層，以焊接Si3N4陶瓷與TiAl合金。通過Si3N4顆粒強(qiáng)化及Si3N4調(diào)整中間層的線膨脹系數(shù)，提高了接頭強(qiáng)度，在含3%Si3N4（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）顆粒時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到115MPa。Zhang等［21］在焊接Si3N4陶瓷和42CrMo時(shí)，設(shè)計(jì)了銀銅鈦＋鉬復(fù)合材料中間層。含10%鉬粉（體積分?jǐn)?shù)）中間層對應(yīng)的接頭強(qiáng)度最大值達(dá)到587.3MPa，相對于沒有添加鉬粉的銀銅鈦釬料的釬焊接頭，強(qiáng)度提高了414.3%。Greuner等［22］采用等離子噴涂法在不銹鋼表面制備厚鎢涂層，在噴涂純鎢前，先在不銹鋼基體上噴涂一層鎢與不銹鋼的混合粉末涂層。該混合粉末涂層既加強(qiáng)了純鎢涂層與不銹鋼基體的結(jié)合力，同時(shí)也成為純鎢涂層與不銹鋼基體之間的熱應(yīng)力緩沖中間層。熱載試驗(yàn)表明，鎢涂層／不銹鋼構(gòu)件能經(jīng)受的熱靜載達(dá)到2.5MW·m－2，熱動載達(dá)到2MW·m－2。田亮等［23］利用Ti50Cu＋鎢顆粒復(fù)合釬料焊接陶瓷與鋼，當(dāng)鎢顆粒較少時(shí)，降熱應(yīng)力效果不明顯，接頭強(qiáng)度低，當(dāng)鎢顆粒含量達(dá)到30%后接頭強(qiáng)度達(dá)到106MPa。

通過焊接過程的化學(xué)反應(yīng)生成硬質(zhì)相來形成復(fù)合材料中間層，對中間層成分設(shè)計(jì)要求很高。由于生成大量化合物可能造成中間層的脆化，目前的研究主要還是以生成少量化合物為主。Yang等［24］利用65.9Cu－24.4Ti－9.7TiB2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）復(fù)合釬料中間層焊接Al2O3陶瓷與鈦合金。TiB2與從母材擴(kuò)散過來的鈦元素反應(yīng)，在（Ti，Al）2Cu和 AlCu2Ti金屬間化合物表面原位合成TiB晶須。TiB晶須的形成降低了釬料中間層與Al2O3的線膨脹系數(shù)差，進(jìn)而降低了接頭熱應(yīng)力，接頭的最大抗剪強(qiáng)度達(dá)到143.3MPa。Lina等［25］以同樣的思路，利用銅鎳釬料＋TiB2實(shí)現(xiàn)了碳－碳復(fù)合材料／鈦基復(fù)合材料的高質(zhì)量焊接。值得指出的是，鄒貴生等在研究Si3N4陶瓷的焊接時(shí)，發(fā)展了多種復(fù)合材料中間層設(shè)計(jì)思路與方法，其思路的核心是通過設(shè)計(jì)合適的釬 料 成 分，在 中 間 層 中 原 位 生 成 Al3Ti［26－27］、AlCu2Ti［28］、Al3Zr、Al3V及 Al6V［29］等硬質(zhì)金屬間化合物層，在提高軟質(zhì)釬料中間層熱強(qiáng)性的同時(shí)，也降低了中間層的線膨脹系數(shù)。作者在焊接鎢與銅前，為了降低接頭熱應(yīng)力，利用熱浸鍍方法，使鎢表層生成一層類似于鎢基高密度合金組織的小膨脹系數(shù)復(fù)合材料中間層［30］，但降熱應(yīng)力效果還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 功能梯度中間層

功能梯度中間層實(shí)際上是在復(fù)合材料中間層的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，即通過復(fù)合材料中間層在兩母材之間的成分梯度化，使中間層的線膨脹系數(shù)等物理性能隨之呈現(xiàn)梯度變化。但功能梯度中間層相對普通的復(fù)合材料中間層，其設(shè)計(jì)因素、制備工藝、應(yīng)用效果等方面有很大不同。

種法力等［31］則先采用真空等離子噴涂法在銅上制備鎢＋銅功能梯度中間層，然后把鎢與功能梯度中間層通過電子束焊焊接實(shí)現(xiàn)銅與鎢的焊接。該工藝雖然復(fù)雜，但結(jié)果表明，鎢＋銅功能梯度中間層對鎢／銅接頭具有良好的降熱應(yīng)力效果，在4.5MW·m－2、25s輻照、100周熱疲勞的熱負(fù)荷條件下，接頭仍然完好，沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。為了省去后續(xù)鎢與中間層的焊接步驟，可在噴涂完中間層后，繼續(xù)噴涂一層純鎢來作為高溫工作層。如Montanari等［32］在銅鉻鋯合金基體上等離子噴涂制備厚鎢涂層時(shí)，先在基體上等離子噴涂制備出800μm厚、但具有20層的復(fù)雜梯度中間層，基本實(shí)現(xiàn) 由 鎢 至 銅 的 物 理 性 能 漸 變。Riccardi［33］和Pintsuk［34］也以同樣的思路，真空等離子噴涂制備了帶功能梯度中間層的鎢／銅復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)研究了該鎢／銅復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械性能、熱物理性能、應(yīng)力緩和性能等重要的技術(shù)參數(shù)。結(jié)果表明，采用鎢含量從75%開始，以每層5%遞增至100%純鎢的功能梯度中間層具有最好的應(yīng)力緩和效果。

Lia等［35］為了提高 YSZ陶瓷／Ni－20Cr鋼接頭的熱疲勞性能，采用了YSZ＋NiCr功能梯度中間層，相應(yīng)接頭經(jīng)受30次室溫～1 000℃嚴(yán)酷熱循環(huán)后的強(qiáng)度達(dá)到207.0MPa。為了提高陶瓷與不銹鋼的焊接質(zhì)量，Gillia［4］等采用熱等靜壓燒結(jié)的方法制備了氧化鋯陶瓷與多種不銹鋼材料的功能梯度中間層。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋯陶瓷粉與奧氏體不銹鋼粉燒結(jié)的中間層容易出現(xiàn)微裂紋，而氧化鋯陶瓷粉與馬氏體不銹鋼粉與燒結(jié)的中間層不易出現(xiàn)微裂紋。劉紅兵等［36］在焊接Al2O3陶瓷與316L不銹鋼時(shí)，設(shè)計(jì)了四層結(jié)構(gòu)的由Al2O3＋316L粉等離子噴涂制備的功能梯度中間層，厚度約0.4mm。該文獻(xiàn)還運(yùn)用有限元軟件分析梯度層層數(shù)、成分分布指數(shù)、梯度中間層厚度等參數(shù)對Al2O3／316L接頭熱應(yīng)力的影響。試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，功能梯度層在很大程度上緩和了Al2O3／316L接頭的熱應(yīng)力，且各應(yīng)力分量最大值均明顯降低。林嚴(yán)資等［37］則研究了Al2O3／功能梯度中間層／CLAM鋼接頭界面區(qū)的殘余應(yīng)力分布特征，當(dāng)梯度中間層的成分分布指數(shù)取0.8、層數(shù)為6、厚度為0.6mm時(shí)，接頭界面各向應(yīng)力分布可以達(dá)到最優(yōu)。李云凱等［38］采用熱壓法制備由PSZ陶瓷粉與和鉬粉組成的功能梯度中間層來焊接PSZ陶瓷與鉬，并利用有限元分析方法設(shè)計(jì)出具有最優(yōu)降熱應(yīng)力效果的功能梯度中間層（1mm厚、6層、形狀分布因子1.6），用該功能梯度中間層焊接的PSZ陶瓷／鉬接頭能經(jīng)受超過120次的風(fēng)冷熱震循環(huán)。為了降低接頭應(yīng)力并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，徐金富等［39］采用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)制備功能梯度中間層焊接MoSi2陶瓷與316L不銹鋼，經(jīng)過有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)后的接頭能經(jīng)受1 200℃空冷至室溫的苛刻熱循環(huán)。

3 結(jié)束語

選擇或設(shè)計(jì)合適的中間層是緩解異種材料接頭熱應(yīng)力的有效手段。復(fù)層中間層工藝簡單，熱應(yīng)力緩沖效果受中間層材料本身的限制，難以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到一個(gè)很高的水平。吸能夾層中間層為緩沖接頭熱應(yīng)力拓展了一條新思路，如能解決好夾層與釬料層的結(jié)合強(qiáng)度問題，隨著金屬泡沫材料等吸能材料技術(shù)的進(jìn)步，吸能夾層中間層對于異種材料焊接很有應(yīng)用前景。復(fù)合材料中間層能方便調(diào)節(jié)自身的線膨脹系數(shù)，通過選擇合適的復(fù)合材料類型，并對其成分配比優(yōu)化設(shè)計(jì)，復(fù)合材料中間層能取得很好的應(yīng)力緩沖效果。同時(shí)，采用復(fù)合材料中間層的焊接過程實(shí)際上為釬焊過程，具有焊接壓力要求小、對焊接端面加工要求低等優(yōu)點(diǎn)。因此，復(fù)合材料中間層對異種材料焊接具有明顯優(yōu)勢。在復(fù)合材料中間層的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功能梯度中間層具有焊接工藝相對復(fù)雜的缺點(diǎn)，但從理論上講，功能梯度中間層是解決異種材料接頭力學(xué)性能適配、最大限度降低接頭熱應(yīng)力的最佳解決方案，值得從梯度層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備工藝以及接頭的應(yīng)力緩沖效果表征等方面開展深入研究。

綜合考慮異種材料焊接工藝的難易程度、經(jīng)濟(jì)性、焊接質(zhì)量及適應(yīng)性，作者認(rèn)為復(fù)合材料中間層和含吸能夾層的復(fù)層中間層最有發(fā)展前景，原因在于大多數(shù)異種材料接頭，不但存在接頭降熱應(yīng)力問題，并且存在界面冶金焊接質(zhì)量問題，而采用這兩種中間層正好能從軟質(zhì)相方面靈活地解決界面冶金焊接質(zhì)量問題，從硬質(zhì)相方面有效地解決接頭應(yīng)力問題。同時(shí)，采用上述兩種中間層，多數(shù)情況下可一次完成焊接，不需要復(fù)雜的方法與工藝，降低了生產(chǎn)成本。而結(jié)合機(jī)械合金化、金屬間化合物的原位生成，泡沫材料、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)，還能使復(fù)合材料中間層和含吸能夾層的復(fù)層中間層得到進(jìn)一步的發(fā)展。

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