Ti(C，N)基金屬陶瓷是一種顆粒型復合材料，是在TiC基金屬陶瓷的基礎上發(fā)展起來(lái)的新型金屬陶瓷。Ti(C，N)基金屬陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蝕等一系列優(yōu)良綜合性能，在加工中顯示出較高的紅硬性和強度，它在相同硬度時(shí)耐磨性高于WC Co硬質(zhì)合金，而其密度卻只有硬質(zhì)合金的1/2。
因此，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具在許多加工場(chǎng)合下可成功地取代WC基硬質(zhì)合金而被廣泛用作工具材料，填補了WC基硬質(zhì)合金和Al2O3陶瓷刀具材料之間的空白。我國金屬鈷資源較為貧乏，而作為一種戰略性貴重金屬，近年來(lái)鈷的價(jià)格持續上揚，因此，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料的研制開(kāi)發(fā)和廣泛應用，不僅可推動(dòng)我國硬質(zhì)合金材料的升級換代，而且在提高國家資源保障程度方面也具有重要的意義。
常用的連接陶瓷與金屬的焊接方法有真空電子束焊、激光焊、真空擴散焊和釬焊等。在這些連接方法中，釬焊、擴散焊連接方法比較成熟、應用較廣泛，過(guò)渡液相連接等新的連接方法和工藝正在研究開(kāi)發(fā)中。本文在總結各種陶瓷與金屬焊接方法的基礎上，對金屬陶瓷與金屬的焊接技術(shù)進(jìn)行初步探討，在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)方法的同時(shí)，指出其優(yōu)缺點(diǎn)和有待研究解決的問(wèn)題，以期推動(dòng)金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)的研究，進(jìn)而推廣這種先進(jìn)工具材料在工業(yè)領(lǐng)域的應用。
1 熔化焊
熔化焊是應用最廣泛的焊接方法，該方法利用一定的熱源，使連接部位局部熔化成液體，然后再冷卻結晶成一體。焊接熱源有電弧、激光束和電子束等。目前Ti(C，N)基金屬陶瓷熔化焊主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題有待解決：一是隨著(zhù)熔化溫度的升高，流動(dòng)性降低，有可能促進(jìn)基體和增強相之間化學(xué)反應(界面反應)的發(fā)生，降低了焊接接頭的強度；另一問(wèn)題是缺乏專(zhuān)門(mén)研制的金屬陶瓷熔化焊填充材料。
1) 電弧焊
電弧焊是熔化焊中目前應用最廣泛的一種焊接方法。其優(yōu)點(diǎn)是應用靈活、方便、適用性強，而且設備簡(jiǎn)單。但該方法對陶瓷與金屬進(jìn)行焊接時(shí)極易引起基體和增強相之間的化學(xué)反應(界面反應)。由于Ti(C，N)基金屬陶瓷具有導電性，可以直接焊接，對Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬電弧焊的試驗研究表明是可行的，但需要解決諸如界面反應、焊接缺陷(裂紋等)和焊接接頭強度低等問(wèn)題。
2) 激光焊
激光焊是特殊及難焊材料焊接的一種重要焊接方法。由于激光束的能量密度大，因此激光焊具有熔深大、熔寬小、焊接熱影響區小、降低焊件焊接后的殘余應力和變形小的特點(diǎn)，能夠制造高溫下穩定的連接接頭，可以對產(chǎn)品的焊接質(zhì)量進(jìn)行精確控制。激光焊接技術(shù)已經(jīng)成功應用于真空中燒結的粉末冶金材料。據報道，Mittweida激光應用中心開(kāi)發(fā)了一種雙激光束焊接方法。它用兩束激光工作，一束激光承擔工件的預熱，另一束激光用于焊接。用這種雙激光束焊接方法可以實(shí)現各種幾何體的連接，并且不會(huì )降低原材料的強度和高溫性能，焊接時(shí)間僅需數分鐘。該方法可有效防止焊接過(guò)程中熱影響區裂紋的產(chǎn)生，適用于Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬的焊接，但對工裝夾具、配合精度及焊前準備工作要求較高，設備投資昂貴，運行成本較高，需要進(jìn)一步提高其工藝重復性和可靠性。
3) 電子束焊
電子束焊是一種利用高能密度的電子束轟擊焊件使其局部加熱和熔化而焊接起來(lái)的方法。真空電子束焊是金屬陶瓷與金屬焊接的有效焊接方法，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，由于是在真空條件下，能防止空氣中的氧、氮等的污染；電子束經(jīng)聚焦能形成很細小的直徑，可小到Φ0.1～1.0mm的范圍，其功率密度可提高到107～109W/cm2。因此電子束焊具有加熱面積小、焊縫熔寬小、熔深大、焊接熱影響區小等優(yōu)點(diǎn)。但這種方法的缺點(diǎn)是設備復雜，對焊接工藝要求較嚴，生產(chǎn)成本較高。目前針對Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬的電子束焊接技術(shù)還處于實(shí)驗階段。
2 釬焊
釬焊是把材料加熱到適當的溫度，同時(shí)應用釬料而使材料產(chǎn)生結合的一種焊接方法。釬焊方法通常按熱源或加熱方法來(lái)分類(lèi)。目前具有工業(yè)應用價(jià)值的釬焊方法有：(1)火焰釬焊；(2)爐中釬焊；(3)感應釬焊；(4)電阻釬焊；(5)浸漬釬焊；(6)紅外線(xiàn)釬焊。釬焊是Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬連接的一種主要焊接方法，釬焊接頭的質(zhì)量主要取決于選用合適的釬料和釬焊工藝。李先芬等對Ti(C，N)基金屬陶瓷與45號鋼采用銅基、銀基釬料分別進(jìn)行了火焰釬焊試驗和在氬氣保護爐中釬焊試驗?；鹧驸F焊條件下，以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa，以BAg10CuZn為釬料的接頭的剪切強度達114MPa，以BCuZnMn為釬料的接頭的平均剪切強度49MPa；在氬氣保護爐焊條件下，以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa，以Ag72Cu28為釬料的接頭的平均剪切強度為51MPa。通過(guò)觀(guān)察和分析釬焊接頭的結合情況及剪切試驗，表明Ti(C，N)基金屬陶瓷具有較好的釬焊性。但由于接頭界面處金屬陶瓷中存在殘余應力，導致剪切試驗時(shí)均斷在金屬陶瓷上，且釬焊接頭的剪切強度不高。張麗霞等采用AgCuZn釬料實(shí)現了TiC基金屬陶瓷與鑄鐵的釬焊連接。近年來(lái)還利用非晶技術(shù)研制成功了新的含鈦合金系，如Cu Ti、Ni Ti合金，可以直接用來(lái)釬焊陶瓷與金屬，其接頭的工作溫度比用銀銅釬料釬焊的要高得多。目前，金屬陶瓷釬焊需要解決如何降低或消除界面處金屬陶瓷中的殘余應力和提高接頭強度的問(wèn)題。
3 壓焊
壓焊時(shí)基體金屬通常并不熔化，焊接溫度低于金屬的熔點(diǎn)，有的也加熱至熔化狀態(tài)，仍以固相結合而形成接頭，所以可以減少高溫對母材的有害影響，提高金屬陶瓷與金屬的焊接質(zhì)量。
1) 擴散焊
擴散焊是壓焊的一種，它是指在相互接觸的表面，在高溫壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)一定時(shí)間后結合層原子間相互擴散而形成整體的可靠連接過(guò)程。擴散焊包括沒(méi)有中間層的擴散焊和有中間層的擴散焊，有中間層的擴散焊是普遍采用的方法。使用中間層合金可以降低焊接溫度和壓力，降低焊接接頭中的總應力水平，從而改善接頭的強度性能。另外，為降低接頭應力，除采用多層中間層外，還可使用低模數的補償中間層，這種中間層是由纖維金屬所組成，實(shí)際上是一塊燒結的纖維金屬墊片，孔隙度最高可達90%，可有效降低金屬與陶瓷焊接時(shí)產(chǎn)生的應力。擴散焊的主要優(yōu)點(diǎn)是連接強度高，尺寸容易控制，適合于連接異種材料。關(guān)德慧等對金屬陶瓷刀刃與40Cr刀體的高溫真空擴散焊接實(shí)驗表明，金屬陶瓷與40Cr焊接后，兩種材料焊合相當好，再對40Cr進(jìn)行調質(zhì)處理，界面具有相當高的強度，焊接界面的抗拉強度達650MPa，剪切強度達到550MPa。擴散焊主要的不足是擴散溫度高、時(shí)間長(cháng)且在真空下連接、設備昂貴、成本高。近年來(lái)不斷開(kāi)發(fā)出了一些新的擴散焊接方法，如高壓電場(chǎng)下的擴散焊，該方法借助于高壓電場(chǎng)(1000V以上)及溫度的共同作用，使陶瓷內電介質(zhì)電離，在與金屬鄰近的陶瓷材料內形成了一薄層充滿(mǎn)負離子的極化區。此外，由于材料表面的顯微不平度，陶瓷與金屬間只有個(gè)別小點(diǎn)相接觸，大部分地區形成微米級的間隙。集結在微小間隙兩側的離子使這些地區的電場(chǎng)急劇升高，此外加電場(chǎng)可增加3～4個(gè)數量級。由于異性電荷相吸，使被連接的兩種材料相鄰界面達到緊密接觸(其間距小于原子間距)，隨后借助于擴散作用，使金屬與陶瓷得以連接。
2) 摩擦焊
摩擦焊是在軸向壓力與扭矩作用下，利用焊接接觸端面之間的相對運動(dòng)及塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱，使接觸面及其近區達到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當的宏觀(guān)塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊廣泛用于同類(lèi)和異種金屬的連接，對于不同類(lèi)材料陶瓷與金屬連接的摩擦焊尚屬起步階段。
3) 超聲波焊
超聲波焊是通過(guò)超聲波振動(dòng)和加壓實(shí)現常溫下金屬與陶瓷接合的一種有效方法。用此方法焊接鋁與各類(lèi)陶瓷均獲得成功，而且接合時(shí)間僅需幾秒鐘。由于此方法的接合能是利用超聲波振動(dòng)，結合面不需要進(jìn)行表面處理，設備較簡(jiǎn)單，縮短了焊接時(shí)間，其成本比釬焊法大幅度降低。該方法應用于金屬陶瓷與金屬的焊接還有待于進(jìn)一步研究。
4 中性原子束照射法
中性原子束照射法利用中性原子束照射金屬與陶瓷的接合面，使接合面的原子“活化”。物質(zhì)清潔的表面具有極佳的活性，然而物質(zhì)表面往往沾有污物或覆蓋著(zhù)一層極薄的氧化膜，使其活性降低。該方法主要是對接合面照射氬等惰性氣體的1000～1800eV的低能原子束，從表面除去20nm左右的薄層，使表面活化，然后加壓，利用表面優(yōu)異的反應度進(jìn)行常溫狀態(tài)下接合，此方法可用于氮化硅等高強度陶瓷與金屬的接合。
5 自蔓延高溫合成焊接法
自蔓延高溫合成(Self propagatingHigh temperatureSyn thesis，縮寫(xiě)SHS)技術(shù)也稱(chēng)為燃燒合成(CombustionSynthe sis，縮寫(xiě)CS)技術(shù)，是由制造難熔化合物(碳化物、氮化物和硅化物)的方法發(fā)展而來(lái)的。在這種方法中，首先在陶瓷與金屬之間放置能夠燃燒并放出大量生成熱的固體粉末，然后用電弧或輻射將粉末局部點(diǎn)燃而開(kāi)始反應，并由反應所放出的熱量自發(fā)地推動(dòng)反應繼續向前發(fā)展，最終由反應所生成的產(chǎn)物將陶瓷與金屬牢固地連接在一起。該方法的顯著(zhù)特點(diǎn)是能耗低，生產(chǎn)效率高，對母材的熱影響作用小，通過(guò)設計成分梯度變化的焊縫來(lái)連接異種材料，可以克服由于熱膨脹系數差異而造成的焊接殘余應力。但燃燒時(shí)可能產(chǎn)生氣相反應和有害雜質(zhì)的侵入，從而使接頭產(chǎn)生氣孔和接頭強度降低。因此，連接最好在保護氣氛中進(jìn)行，并對陶瓷與金屬的兩端加壓。日本的Miyamo to等首次利用SHS焊接技術(shù)，研究了金屬Mo與TiB2和TiC陶瓷的焊接，試驗利用Ti+B或Ti+C粉末作為反應原料，預壓成坯后加在兩個(gè)Mo片之間，利用石墨套通電發(fā)熱來(lái)引發(fā)反應，成功地獲得了界面結合完整的焊接接頭。何代華等采用燃燒合成技術(shù)成功地制取了TiB2陶瓷/金屬Fe試樣，且焊接界面結合良好，中間焊料層Fe的質(zhì)量百分含量較高時(shí)，界面結合優(yōu)于Fe質(zhì)量百分含量低的界面結合情況。孫德超等以FGM焊料(功能梯度材料)成功實(shí)現了SiC陶瓷與GH 4146合金的SHS焊接。目前SHS機理研究尚未成熟，設備開(kāi)發(fā)和應用投資頗大，所以SHS焊接尚未工程化。
6 液相過(guò)渡焊接法
液相過(guò)渡焊接(TransientLiquidPhase，縮寫(xiě)TLP)是介于溶焊和壓焊之間的焊接方法。該技術(shù)綜合了釬焊技術(shù)和擴散連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可制備服役溫度不低于連接溫度的高溫接頭。TLP連接技術(shù)的工藝TLP焊接與釬焊操作步驟相似，均需在待連接母材表面間放入熔點(diǎn)低于母材的第三種材料(在TLP中常叫中間層 Interlayer，在釬焊中常叫釬料 Fillermetal)；然后加熱、保溫。但兩者擴散的充分程度、凝固的方式和最終所得接頭的成分、組織的不連續程度都不同。與釬焊相比TLP焊接具有如下優(yōu)點(diǎn)：①TLP接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分，并在一定情況下分辨不出最終顯微組織中的填充金屬；②TLP接頭比一般硬釬焊接頭的強度高；③TLP接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而耐高溫性能好。上述優(yōu)點(diǎn)決定了它可用于先進(jìn)材料的連接，在金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)中有著(zhù)廣闊的應用前景。段輝平等采用Ti Cu和Ti Ni復合焊料，利用TLP連接技術(shù)成功地制備了無(wú)焊接缺陷的TiAl/IN718合金接頭。
綜上所述，盡管適合于Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬焊接的方法有多種，但每種方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，如采用擴散焊焊接的接頭界面受限且易在接頭形成有害復合碳化物(η相)；釬焊存在結合強度和使用溫度較低等問(wèn)題；熔焊易產(chǎn)生脆性開(kāi)裂且缺乏合適的焊接材料。有些方法還處于實(shí)驗研究階段，一時(shí)還難以實(shí)用化。在選擇焊接方法時(shí)，要從實(shí)際出發(fā)，即從金屬陶瓷與金屬復合構件的使用要求出發(fā)，確實(shí)保證連接質(zhì)量及其穩定性，并力求降低生產(chǎn)成本。綜合考慮焊接及工藝等方面的因素，活性釬焊、擴散焊、部分瞬間液相連接、SHS焊接技術(shù)最有希望成為金屬陶瓷與金屬焊接工藝中重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的研究項目。金屬陶瓷與金屬的焊接是一個(gè)全新的領(lǐng)域，內容新穎而又異常豐富，今后隨著(zhù)該種材料的廣泛應用和應用范圍的不斷擴大，其焊接技術(shù)方法和工藝的研究將成為國內外普遍關(guān)注而亟待解決的研究課題。
