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1、氧化铝陶瓷材料微波焊接技术 陶瓷材料在高温下具有高强度、高硬度、高绝缘性、高耐蚀性、高耐磨性、良好的热稳定性和化学稳定性等许多优良的特性,是陶瓷发动机、磁流体发电及核反应装置的关键材料。陶瓷材料用在燃气轮机或往复式发动机上,如用作包箍、涡轮叶片、阀门零件和燃气轮机增压器部件时,其焊接技术显得尤其重要。微波焊接微波焊接是陶瓷焊接的另种新方法由于其加热的高速度和均匀性具有许多潜在的经济效益。迄今为止,这项技术已经用于陶瓷与陶瓷以及陶瓷与玻璃的焊接。陶瓷材料具有很好的耐热性和抗腐蚀能力,在许多高技术领域例如航天,汽车,化工和电子工业等
2、正起着越来越重要的作用,然而陶瓷材料的机械加工却极为困难,这就大大限制了陶瓷材料的进一步推广使用。解决方法除了目前正在研究的陶瓷超塑性成型外,最有发展前途的技术是陶瓷焊接,即对形状简单的陶瓷零件进行焊接,以制成形状复杂或大尺寸的构件,正因如此,陶瓷焊接愈来愈受到人们的重视。微波焊接是一门崭新的焊接技术,它利用微波在材料中介质损耗使陶瓷加热,在一定压力下完成连接,根据接头间是否加入中间介质,微波焊接可分为直接焊接和间接焊接两种,由于陶瓷的加热是通过微波与材料相互作用实现的14,使接头能够均匀地连接,避免了开裂发生。同时微波加热的升温
3、速度极快,陶瓷内部品粒不会严重长大,晶界相元素分布比焊接前更均匀从而使接头区域材料保持优良的性能。微波连接陶瓷材料的原理和特点微波焊接试验装置(a)微波焊接材料总图;(b)微波焊接材料简图1微波焊接的试验装置和特点微波焊接陶瓷材料的典型试验装置见图1。被焊接的陶瓷材料置于微波应用器中,在陶瓷材料的两端施加压力。磁控管产生的微波经过微波波导输送到微波应用器中。微波频率通常为245GHz或0.915GHz。微波加热陶瓷材料是利用微波电磁场与陶瓷材料的相互作用,因此陶瓷材料的微波加热与陶瓷材料本身的性能有很大的关系。对于介电损耗高又不随
4、温度剧烈变化的陶瓷材料,微波烧结的加热过程较为稳定,容易控制,但多数陶瓷材料在室温时介电损耗较低,当加热超过临界温度,陶瓷材料的介电损耗急剧增加,使温度迅速上升。另外,对于某些对微波具有透过性的陶瓷材料,必须在材料中添加适量的具有吸收微波性能的添加剂或玻璃相,才能进行微波加热。利用微波在材料中的介质损耗,不仅能完成陶瓷的烧结,而且还可以实现陶瓷材料的连接,Meek和Black14最早利用微波技术实现了Al2O3薄片间的玻璃连接及陶瓷/玻璃/金属连接。微波连接陶瓷材料的主要原理是通过改变电磁场的分布,实现微波能的聚焦,对连接部位进行
5、局部迅速加热,从而实现陶瓷材料的连接。微波连接陶瓷材料的特点有三个。第一,对于传统的陶瓷连接工艺,能量是从试样表面通过热传导的方式向内部传递,从而达到温度均匀,由于多数陶瓷的导热性差,因此连接需要很长时间。采用微波加热连接是使陶瓷连接层处迅速升温,从而大大缩短了连接时间,节约了能量,降低了连接成本。第二,由于微波加热较为迅速,反应时间短,可以使连接部位的温度迅速升高,从而抑制了基体材料由于温度升高而导致的内部晶粒长大,因而使连接部位具有较好的力学性能。第三,微波局部加热的特性,使得微波主要加热所需要加热的区域,对其它区域的加热并不
6、明显。因此,可以在一定程度上改善在传统焊接过程中由于两种母材热膨胀系数不匹配所造成的热错配问题。2微波应用于陶瓷材料的连接陶瓷材料之间的微波连接根据有无采用中间连接层可以分为两类,一类是采用中间介质作为连接层的间接连接,比如采用Al作为连接层连接SiC陶瓷与SiC陶瓷。另一类是陶瓷材料的直接连接,比如不采用连接层进行SiC陶瓷与SiC陶瓷的连接。根据连接的陶瓷母材类型可以分为同种陶瓷材料之间的微波连接和异种陶瓷材料之间的微波连接。142．1同种陶瓷材料之间的微波连接微波技术应用于同种陶瓷材料之间的连接主要有Al2O3陶瓷与Al2O
7、3陶瓷的连接(用符号Al2O3/Al2O3表示,以下同)[6~8],MgO/MgO[9],Al2O3-30%ZrO2/Al2O3-30%ZrO2[10],ZrO2-Al2O3-SiO2/ZrO2-Al2O3-SiO2[11],SiC/SiC[12],Si3N4/Si3N4[12],MgF2/MgF2[13]等。311同种氧化物系陶瓷之间的微波连接1985年Meek等[5]率先用700W功率的家用微波炉对两块Al2O3薄片进行了焊接,焊接温度为700~800,时间为99min。此后,对Al2O3陶瓷的微波连接研究就迅速发展起来,As
8、safi等[6]用AlOOH凝胶作为连接层,先将AlOOH凝胶涂在需要连接的两个Al2O3陶瓷片的表面,然后在微波辐射下连接Al2O3陶瓷。试验表明,样品在微波中被加热到1500、时间为10min、且施加的压力为0~6MPa时连接成功,当连接温度达
