藍寶石為α-Al 2 O 3 單晶，是一種具有高強度、高熱震抗力、高耐腐蝕性能和高透波率等優(yōu)異物理特性、機械特性和化學(xué)特性相獨合的優(yōu)良晶體材料，被越來越廣泛地應(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，對光和物理波的散射嚴(yán)重，而且重量較大，價格昂貴，影響窗口的光學(xué)性能和力學(xué)性能。相對而言，藍寶石更輕、更亮、更薄、對光的散射更低。可以預(yù)見，越開越多的窗口原件將選擇藍寶石作為元材料。因此，藍寶石與金屬基體的連接技術(shù)的研究尤顯重要。

     目前，國內(nèi)使用的藍寶石與金屬的連接方法為膠接和機械連接，了這些連接方法存在著較大的缺陷。膠接接頭強度低，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。機械連接構(gòu)建的氣密性不足，藍寶石螺孔加工困難，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而拉裂。藍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、以色列、俄羅斯等國家，已經(jīng)將藍寶石和金屬的可靠連接結(jié)構(gòu)成功用于國防設(shè)備中。本文闡述了藍寶石與金屬的各種連接方法，并對其在連接工藝及性能等方面做了比較，重點分析了釬焊技術(shù)在藍寶石/金屬連接上的應(yīng)用。

1  藍寶石連接方法及其研究現(xiàn)狀

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

1.1  熔接法

     使用熔接法焊接藍寶石與金屬的文獻目前鮮有報道。熔接法時通過高溫度使金屬才來哦熔化，藍寶石與金屬之間通過物理化學(xué)反應(yīng)而連接在一起。熔接法焊接時形成的熔化區(qū)很窄，加熱速度快，效率高，單會在連接部位產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，會降低連接的可靠性。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潤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 系無機焊料為中間層進行藍寶石的連接。采用MAS玻璃焊料時，所得街頭的最大四點彎曲強度為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)法連接藍寶石/藍寶石時，所得街頭的最高四點彎曲強度為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)藍寶石與藍寶石時，在釬料層與母材之間局部區(qū)域已看不出連接接線，濕潤性較好，存在明顯的反應(yīng)層，最高四點彎曲強度達224 Mpa 。從彎曲試驗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，然后向近界面的藍寶石中擴展，最終在藍寶石中斷裂。在該試驗中， SiO 2 和 MgO的加入能阻礙晶界移動，抑制晶粒長大，降低晶粒生長速率。但無機金屬粉末的生坯密度有限，燒結(jié)時擴散阻力大，導(dǎo)致燒結(jié)后焊縫中的空洞沒有完全采用“閉合”。另外，焊料中的氣泡無法排出，最終聚集長大，形成大缺陷。另一方面，焊料中的細(xì)顆粒的團聚也會造成缺陷的產(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，由于膨脹系數(shù)相差較大，焊縫中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，嚴(yán)重時導(dǎo)致開裂。另外，玻玻璃焊法的焊接溫度普遍較高，不利于在藍寶石與金屬的焊接中的應(yīng)用。

1.3  釬焊

     釬焊時連接陶瓷與金屬最為長用的方法之一。由于藍寶石的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，普通釬料很難再藍寶石表面鋪展。目前釬焊藍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行釬焊，稱之為活性焊接；另一種是先對藍寶石表面進行金屬化處理，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，以利于釬料在藍寶石表面的潤濕。活性焊料中常用的活性元素包括：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)合強度為72.5 Mpa 的釬焊接頭。文獻研究使用 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℃，保溫時間為10Min時，Ag-CuO-Ti釬料的鋪展性能、界面硬度過渡情況和接頭強度最好。檔釬料成分含量為Ag-8CuO-0.5Ti（ wt% ）時，旗吶喊接頭的四點彎曲強度達到212.36 Mpa ，接頭的斷裂形式均為脆性斷裂。文獻作者認(rèn)為釬焊溫度低，保溫時間短，釬料與木材之間的互相作用時間短，界面沒有進行充分反應(yīng)，反應(yīng)層厚度較�。环粗畡t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，裂紋沿脆性組織擴展。所以在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，陶瓷連接初期，應(yīng)設(shè)法促使界面反應(yīng)充分進行，但在達到最佳厚度后迅速停止加熱，以防止接頭性能的下降。文獻報道了采用 Ag-Cu-Ti火星釬料直接釬焊99.7%的高純氧化鋁陶瓷與無氧銅，釬焊溫度850℃-900℃，焊后接頭抗剪強度達到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℃，保溫時間為5min時，95% Al 2 O 3 陶瓷/ Ag-Cu-Ti/可伐合金4J33（Fe-15Co-33Ni）接頭抗剪請阿杜為144 Mpa ，其接頭斷裂只要發(fā)生在陶瓷 -釬料界面處，同時在界面中國形成的 TiFe 2 、TiNi 3 金屬間化合物層也會形成裂紋。

     使用70Cu-25Ti-5Zr釬料對 Al 2 O 3/ Nb進行釬焊時，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。強度試驗結(jié)果表明在上述焊接溫度和保溫時間下使用Cu70-Ti25-Zr5釬料的接頭請阿杜可達到162 Mpa ，增加或減少 Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及改變保溫時間都會使接頭抗剪強度下降。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、致密的來你姐。專家在研究使用含Ti的Ag-Cu基釬料焊接藍寶石和KOVAR合金時，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寶石與金屬，方法簡便，連接可靠，省時節(jié)能。

1.3.2  間接焊接法

     首先對藍寶石表面進行金屬化（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，同時部分金屬氧化物被還原，產(chǎn)生金屬表面層。藍寶石是眼掛慮單晶，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寶石材料本身對缺陷更加敏感，使實驗數(shù)據(jù)離散型較大。文獻采用  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95%氧化鋁陶瓷進行金屬化，并將其與Ni進行了連接，獲得了較高的結(jié)合強度。但是采用Mo-Mn法金屬化陶瓷耗時耗能，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鋼進行釬焊，街頭的抗剪請阿杜達到了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，如溫度低，附著力好，沉積速度快，適用范圍廣、繞鍍性好等。文獻采用離子鍍的對藍寶石窗進行金屬化后，采用 Ti-Ag-Cu釬焊含藍寶石與無氧銅，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度提高了約 30 Mpa 。

     另外，文獻成功實現(xiàn)了用磁控濺射離子鍍技術(shù)濺鍍 Ti膜，這為藍寶石的鍍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，得到了抗拉強度小于100 Mpa 的接頭。