硬釬焊是一種通過使用 450℃ 以上的溫度來影響釬料或鍍層金屬的相變過程以
實現(xiàn)同種或異種材料之間的連接的焊接技術, 該技術能夠較好地保持被焊母材的完
整性。 按照這種命名方式, 軟釬焊則被定義為使用 450℃ 以下的溫度來實現(xiàn)相似連
接的工藝。 事實上, 這兩種連接方式所涉及的物理和化學過程是極為相似的。 兩者
最主要的區(qū)別是釬料的選擇, 選擇不同的釬料會在加熱、 焊接、 冷卻過程中導致不
同的現(xiàn)象。
釬焊在開始并不是作為一門科學, 而是作為一門技術, 也就是說, 釬焊是通過
實踐和經驗總結出來的學問和技藝。 因此, 釬焊技術是人類最古老的技術之一, 其
源頭可追溯到人類文明的開端。 正如蘇美爾文明的大量遺址中所記錄的那樣, 在公
元前 3000 多年前, 人類已經了解了一些金屬的釬焊技術。 相關的技術隨后傳播到
埃及, 之后到達中國和其他國家。 隨著現(xiàn)代實驗技術的出現(xiàn), 相關的工藝過程已經
達到非常高的水平。 這可能在很大程度上得益于精密的實驗儀器, 如掃描電子顯微
鏡、 原子力顯微鏡、 X 射線衍射分析儀等的使用。 這些實驗技術也得到了數值模擬
工具開發(fā)的輔助, 例如, 超級計算機實現(xiàn)了相-場方法模擬。 但是, 釬焊科學是在
不斷發(fā)展的, 所以釬焊科學與釬焊技術之間適當的聯(lián)系仍然有待于探索。
本書旨在幫助渴望了解釬焊科學的釬焊領域的專業(yè)學者, 使其不僅能夠更加充
分地理解釬焊過程的現(xiàn)象, 而且能夠熟悉該科學技術的發(fā)展和工業(yè)應用的實施。
在釬焊領域的技術文獻中, 雖然已有一些備受推崇和傳播廣泛的專題著作和手
冊 (主要側重于技術而對前沿方向的基本問題不夠重視) , 但這些著作和手冊都未
能從釬焊母材和釬料體系的冶金行為、 釬焊工藝優(yōu)化, 以及釬焊結構力學、 熱學和
腐蝕行為等方面深入闡述各種技術問題。 本書旨在通過提供對大量前沿釬焊主題進
行深度研究的文獻資料來填補這一空白。 由多個或一個作者組成的十九個團隊接受
了主編的邀請, 在選定的領域編寫相關章節(jié), 作者可以按照自己的意愿編寫相關
主題。
除了提到的主要目的編寫釬焊領域的一本技術資料書籍, 另一個動機是規(guī)
范其內容。 受邀作者來自不同國家, 代表了釬焊領域最負盛名的世界級組織機構,
包括國家實驗室、 機構、 學術組織, 以及工業(yè)企業(yè)的研發(fā)中心, 同時也邀請了焊接
領域的其他專家學者。 就研究 / 技術的重點而言, 研發(fā)的力度和興趣、 產業(yè)的需求、
技術的進步, 以及產業(yè)與研究機構的相互交流等情況都顯著不同。 例如, 來自亞
洲、 歐洲或美洲的作者團隊可能為未來進一步的研究提供更加多樣化的資源, 從而
提供給其他研究中心的專業(yè)人士特有的機會, 可以用更寬廣和更深入的視角了解相
關的信息。 此外, 來自不同研究中心的研究人員必將沿著側重點不同但卻相同或相
似的當今熱點主題方向開展研究。 顯而易見, 不同主題的研究方法很難在某一位作
者的論文或手冊中概括和體現(xiàn)出來, 因為通常需要提出權威的觀點, 并提供標準的
研究方法。
本書分成三個部分: ①釬焊基礎 ( 第 1 ~ 3 章) ; ②釬焊工藝 ( 第 4 ~ 13 章) ;
③釬焊和釬焊材料應用 (第 14 ~ 19 章) 。 顯然, 每個章節(jié)都包含這三個方面, 因為
在死板的框架中構建內容是沒有任何意義的, 因此, 本書結構和內容的闡釋將會是
豐富多樣的。
第一部分中的第 1 章由法國格勒諾布爾理工學院材料工藝科學與工程實驗室的
Eustathopoulos 博士、 Hodaj 教授和 Kozlova 博士編寫, 其中的潤濕與黏附的基本概念
中包含了對不同類型的固體潤濕的解釋, 這些固體包括金屬、 非共價陶瓷和碳基陶
瓷等, 討論了釬焊過程中非反應性和反應性體系潤濕和鋪展過程的熱力學問題。 在
第 2 章中, 美國航空航天局戈達德太空飛行中心的 Flom 博士提出了一種對釬焊結
構的失效分析方法, 這種有限元分析的工程方法基于 Tresca 和 Von Mises 提出的最
大切應力屈服準則。 隨后, 介紹了用于評估釬焊接頭安全性的相互作用方程和 Coulomb-Mohr
失效準則。 在第 3 章中, 由來自美國肯塔基州列克星敦市肯塔基大學的
Sekulic教授討論了釬焊過程建模。 該章對釬焊過程中的熱循環(huán)建模、 釬焊結構中熱
應力行為的建模, 以及微觀尺度下的現(xiàn)象 (包括固態(tài)擴散、 覆層 / 釬料熔化和毛細
作用驅動的鋪展, 以及釬焊過程中的凝固過程等) 的建模方法都進行了總結。
第二部分的首章, 即第 4 章是由來自烏克蘭基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院
士和 Maksymova 博 士 領 導 的 團 隊 編 寫 的, 內 容 包 括 釬 焊 高 溫 合 金 用 無 硼 釬 料 和
-TiAl基金屬間化合物釬焊用無銅釬料。 其中, 高鎳基和 Ti-Al 基金屬間化合物是耐
熱材料很好的例子。 該章還討論了發(fā)生在 Ni-Cr-Zr 系合金中的結構轉變, 而且列出
了 Ti-Zr-Fe、 Ti-Zr-Mn 系合金的熔點范圍、 濃度范圍、 結構特征和力學性能。 論述
了用于釬焊陶瓷切削材料的活性釬料合金的應用。 在第 5 章中, 美國 Metglas 公司
的 Rabinkin 博士對高溫釬焊提出了全面、 系統(tǒng)的論述, 并著重強調了釬料和釬焊工
藝。 對現(xiàn)有的釬料種類以及含磷的 Ni / Fe / Cr 基新型共晶合金釬料進行了概述。 對
添加 Ge 或 Zr / Hf / Cr 的鎳基合金釬料也進行了論述。 該章詳細地討論了鋼和合金釬
焊的顯微組織、 性能和最佳釬焊工藝。 Rabinkin 博士帶領的另一支團隊, 包括美國
俄亥俄州鈦 釬 焊 公 司 的 Shapiro 博 士 和 來 自 于 列 支 敦 士 登 Listemann AG 公 司 的
Boretius 博士, 編寫了第 6 章。 首先, 重點解釋了金剛石與立方氮化硼界面反應的
本質, 其次是金剛石在釬焊和退火過程中的石墨化問題, 以及金屬在金剛石和立方
氮化硼上的潤濕問題, 最后探討了釬焊工藝過程。 中國哈爾濱工業(yè)大學的何鵬教授
編寫了本書的第 7 章和第 8 章, 每章講述一個主題: 第 7 章為氧化物、 碳化物、 氮
化物陶瓷及陶瓷基復合材料的釬焊; 第 8 章為鎳-鋁、 鐵-鋁和鈦-鋁金屬間化合物的
釬焊。 第 7 章屬于講述陶瓷釬焊這一重要領域的一系列章節(jié)的一部分。 陶瓷難以連
接, 釬焊被認為是少數可以有效連接陶瓷的技術。 該章對陶瓷釬焊的每一個難點都
提出了深入的思考。 第 8 章研究了金屬間化合物材料, 如 Ni-Al、 Fe-Al 和 Ti-Al 等
的連接存在的問題, 同時對每個體系的金屬間化合物的物理性能進行了描述, 其次
是釬焊方法的介紹。 之后的第 9 章和第 10 章涵蓋了鋁釬焊的研究, 分別由烏克蘭
基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院士、 Sabadash 博士, 以 及 美 國 厄 巴 納 Creative
Thermal Solutions 公司的趙博士和美國普萊森頓的 Woods 博士撰寫。 第 9 章是關于
主要依靠活性釬劑的鋁及鋁合金和鋼的釬焊。 在第 10 章中, 趙博士和 Woods 博士
詳細論述了大量使用氟鋁酸鉀釬劑在可控氣氛環(huán)境下釬焊鋁的研究。 美國俄亥俄州
威斯康星大學斯陶特分校的 Asthana 教授和美國克利夫蘭的美國航空航天局格倫研
究中心俄亥俄州航空航天研究所的 Singh 博士撰寫的第 11 章中提到了使用活性金屬
釬料釬焊陶瓷基復合材料和金屬。 面對苛刻的使用要求, 先進的陶瓷基復合材料表
現(xiàn)出了巨大的潛力, 但其組件的連接非常具有挑戰(zhàn)性。 該章對潤濕和熔融金屬滲透
的問題進行了討論。 隨后對 SiC-SiC、 C-SiC、 C-C 和 ZrB2 基超高溫陶瓷、 氧化物、
氮化物和硅基復合材料的釬焊進行了綜述, 并對界面的微觀結構、 力學和物理性能
進行了詳細的討論。 金屬與陶瓷釬焊主題的最后一章 ( 第 12 章) 由 Hausner 博士
和德國開姆尼茨工業(yè)大學材料科學與工程學院的 Wielage 教授編寫。 作者著重介紹
了金屬-陶瓷釬焊技術的現(xiàn)狀。 對于選擇的材料系統(tǒng)的組合, 提供了更詳細的微觀
結構和力學性能。 該章提供了陶瓷性能、 標準釬焊工藝、 金屬化陶瓷釬焊、 活性釬
焊以及金屬-陶瓷釬焊接頭的力學性能信息, 討論了若干釬焊實例。 本部分的最后
一章 即 第 13 章 專 門 介 紹 了 金 屬 和 C / C 復 合 材 料 的 釬 焊。 日 本 東 京 工 業(yè) 大 學 的
Ikeshoji 博士首先介紹了 C / C 復合材料的性能, 其次討論了釬料的規(guī)格和推薦的釬
料, 最后探討了釬焊工藝過程。
第三部分是釬焊和釬焊材料應用。 第 14 章由德國多特蒙德工業(yè)大學材料工程
學院 Tillmann 教授領銜的團隊編寫, 團隊成員還有 Elrefaey 博士和 Wojarski 博士。
作者討論了硬質合金 ( 碳化鎢和金屬黏結劑) 和高性能陶瓷與結構鋼等基體的釬
焊, 用于制作切削工具; 深入討論了用于釬焊這種體系材料制作的切削工具的釬
料。 在第 15 章中, 來自于德國埃斯林根 Innobraze 公司的 Krappitz 博士, 對釬涂這
種有趣的釬焊應用過程進行了討論。 通過這種技術可以在惡劣環(huán)境中工作的組件上
制備功能涂層, 釬涂的應用包括表面修復、 磨損保護, 以及防止腐蝕和氧化。 在第
16 章中, 美國新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實驗室的 C. A Walker 論述了金屬-
非金屬釬焊在電子包裝和電子元件結構上的應用。 他強調, 金屬-非金屬釬焊技術
經受住了時間的考驗, 而且已證明該連接方法可用于制造高壓、 大電流設備和電力
行業(yè)的絕緣子, 為今天的材料工程師或設計師提供了利用最新工程材料特殊性能的
機會。 該章開篇列舉了諸多功能性需求, 并進一步討論了如何選擇釬焊工藝 (包括
釬料和基體) 和進行夾具的設計。 緊接著又論述了材料表面金屬化的方法。 結尾部
分總結了釬焊方法和性能測試方法。 在第 17 章中, 意大利都靈理工大學材料科學
與化學工程系的團隊考慮將玻璃和玻璃-陶瓷釬料用于固體氧化物燃料電池的密封
材料, 以 及 用 作 碳 化 硅 基 材 料 的 釬 料。 這 個 團 隊 由 Salvo 教 授 領 導, 成 員 有
V. Casalegno 博士、 S. Rizzo、 Smeacetto 教授、 A. Ventrella 和 Ferraris 教授。 第一項應
用是用作平面固體氧化物燃料電池的密封材料, 這種材料要求在潮濕的環(huán)境中和在
800℃ 環(huán)境使用時都保持熱力學和熱化學性能的穩(wěn)定。 第二項應用涉及核 ( 核聚變
和核裂變) 設備中玻璃-陶瓷材料在碳化硅基材料釬焊中的應用和高溫應用。 釬焊
的另外一個重要應用包括民用領域 (如飲用水或食品工業(yè)) 使用的金屬材料釬焊的
鎳基釬料。 在第 18 章中, 德國開姆尼茨工業(yè)大學的 Wielage 教授和 Hoyer 博士對鎳
基材料列入無害材料名單的可能性做