活性金属钎焊用银基钎料的最新进展：系统综述

《Journal of Materials Research and Technology》：Recent progress of Ag-based fillers for active metal brazing: A systematic review

　　

活性金属钎焊（AMB）因操作便捷性和高效率而在复杂工业结构制造中具有关键地位。银基钎料作为AMB的重要原料，因其优异的润湿性、优良的塑性和广泛的应用适用性而受到科学界和工业界的广泛关注。然而，目前缺乏针对AMB用银基钎料的系统性综述。本文系统总结了AMB用银基钎料的最新进展，揭示了关键挑战和创新控制策略。对当前使用的银基钎料进行了全面分类，特别强调了近年来开发的新型钎料。深入阐明了使用银基钎料时界面结构与性能特征之间的关系及接头形成机理。批判性讨论了银基钎料固有的问题及控制策略，包括先进材料应用方面的最新突破。最后，基于当前研究现状，展望了AMB用银基钎料的未来发展方向。本综述提供了银基钎料设计、界面调控和接头性能优化方面的前沿视角，旨在为AMB技术的进一步研究和应用提供参考。

**论文解读：活性金属钎焊用银基钎料的研究进展与展望**

**1. 研究背景与问题**

活性金属钎焊（Active Metal Brazing，AMB）通过在真空或惰性气体保护环境下使用合适的钎料，能够实现金属、陶瓷、复合材料等异种材料的可靠连接，具有接头强度高、构件变形小、适用复杂结构接头以及成本低等优势，已在航空航天、电子、铁路、核电和汽车等领域广泛应用。钎料是决定钎焊接头质量的关键因素。在众多钎料中，银基钎料因具有优异的塑性、出色的润湿性和广泛的工业适用性而成为最常用的钎料之一。然而，银基钎料在AMB应用中仍面临诸多挑战：其一，银是不活泼贵金属，与非金属材料（如石墨、陶瓷）的物理化学性质差异显著，难以直接润湿非金属材料；其二，银基钎料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）约为19×10^-6 K^-1，远高于非金属材料（如石墨约2×10^-6 K^-1，ZrO₂陶瓷约9.6×10^-6 K^-1），导致冷却过程中接头产生显著残余热应力；其三，钎焊含Fe、Ni、Al等多元合金时，合金元素溶解于液态钎料中可能生成大量脆性化合物，降低接头塑性；其四，银基钎料在高温下因银相软化而强度严重下降，限制接头高温服役能力。为解决上述问题，研究者提出了添加活性元素改善润湿性、复合低CTE或负热膨胀材料、引入中间层、添加高熔点元素等策略。然而此前尚缺乏针对AMB用银基钎料的系统性综述。该项工作发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员对AMB用银基钎料的研究现状进行了系统文献综述与归类分析。主要技术方法包括：基于二元相图分析钎料物相组成与反应路径；采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察接头界面微观组织；利用能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）鉴定反应产物；通过润湿角测量评价钎料润湿性；采用差示扫描量热法（DSC）测定熔点；借助有限元模拟（FEM）和拉曼光谱表征残余应力；通过剪切、拉伸和弯曲试验测试接头力学性能。综述样本来源于Web of Science数据库收录的相关文献。

**3. 钎料体系分类与特性**

该综述首次对AMB用银基钎料按成分进行了系统分类，共分为五类：二元Ag-M（M为活性元素，如Ti、Cr、Zr）；二元AgX（X为能与Ag形成共晶的非活性元素，如Cu）；三元AgX-M（在AgX中加入活性元素，如AgCu-Ti）；三元AgXY（Y为能与AgX形成固溶体的非活性元素，如AgCuPd）；四元AgXY-M（在AgXY中加入活性元素，如AgCuIn-Ti）。

对于Ag-Ti二元钎料，Ti与Ag不发生共晶反应，钎焊温度通常需高于960 ℃。Ag-Ti钎料可实现C/C复合材料与镍基高温合金GH3044的连接，Ti与基体反应形成TiC和TiNi层，获得最大剪切强度45.8 MPa。Ag-TiH₂钎料可实现ZrO₂陶瓷与GH4169合金的可靠连接，最高剪切强度达139 MPa。Ag-Cr二元钎料中Cr与Ag不形成化合物，接头中保留更多塑性Ag基体，采用Ag-10 wt.%Cr钎料在1040 ℃下获得C/C-DD3接头最大剪切强度27 MPa。Ag-Zr钎料对ZrC-SiC陶瓷具有良好的润湿性，添加5 wt.%Zr时ZS/TiAl接头获得最大剪切强度65 MPa。

AgCu共晶钎料（Ag28Cu）熔点较纯Ag降低约180 ℃，成本更低，广泛用于合金钎焊。但因其不含活性元素，难以直接润湿陶瓷，需进行表面预处理或利用含活性元素合金基体的溶解扩散实现连接。AgCu-Ti三元钎料是应用最广泛的活性钎料，几乎能润湿所有材料表面，包括金属、陶瓷、石墨及复合材料。Cusil ABA（Ag35.3Cu-1.8Ti wt.%）和Ticusil（Ag26.7Cu-4.5Ti wt.%）为两种常用商用钎料。AgCu-Ti钎料通过Ti与基体反应形成TiC、TiN、Ti₅Si₃等反应层实现界面连接。AgCuZn钎料中Zn的蒸发可显著改善对TiC-Ni金属陶瓷的润湿性，接触角从121.5°降至19°。AgCuPd钎料中添加高熔点Pd可提高接头高温性能，Ag21Cu25Pd（wt.%）钎焊Ti₃Al基合金与镍基高温合金，500 ℃下接头强度仍达212 MPa。AgCuIn钎料通过添加低熔点In降低钎焊温度至约700 ℃，有助于减小残余热应力，AgCuIn钎焊接头剪切强度约300 MPa。AgCuGa钎料具有较低熔点，可用于4J29 Kovar合金连接。四元AgCuIn-Ti钎料可实现C_f/SiC复合材料与Invar合金的低温连接。

**4. 关键问题与控制策略**

**4.1 残余热应力**

由于陶瓷、银基钎料和合金之间CTE和弹性模量差异显著，接头冷却过程中会产生残余热应力，导致陶瓷界面裂纹。控制策略主要有两种：一是添加低CTE或负热膨胀（Negative Thermal Expansion，NTE）增强相。添加W、Mo、CoCrNi中熵合金等金属颗粒，石墨烯纳米片、碳纤维、碳纳米管等碳材料，以及TiC、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃等陶瓷颗粒，均可降低钎料CTE。例如，添加32 wt.%TiC后Ag-Ti复合钎料CTE从13.2×10^-6 K^-1降至10.8×10^-6 K^-1，有限元模拟显示接头残余应力峰值降低20.1%。添加NTE材料（如LiAlSiO₄、ZrP₂WO₁₂、Y₂Mo₃O₁₂、Sc₂W₃O₁₂）也能有效降低钎料CTE，其中添加2 wt.%LiAlSiO₄使AlON/Ti₂AlNb接头残余应力降低12.94%，剪切强度提高至96.1 MPa。二是引入中间层。高塑性中间层（如Cu箔）可通过塑性变形吸收应力；三维结构中间层（如Cu网、泡沫Cu、泡沫Ni、三维石墨烯海绵）具有强变形能力，可有效缓解残余应力；低CTE中间层（如W、Mo、Nb）可形成CTE梯度，降低接头应力集中。

**4.2 过量脆性化合物**

钎焊过程中，合金基体元素溶解进入液态银基钎料，与活性元素反应生成大量Fe-Ti、Ni-Ti、Al-Ti、Cu-Ti等脆性化合物，损害接头塑性。控制策略包括：一是引入阻挡层。采用金属箔（如Cu箔、W箔）作为阻挡层，阻止合金元素向钎缝扩散。例如，W中间层使Invar合金中的Fe、Ni向SiO_2f/SiO₂侧扩散受到抑制，脆性Fe-Ti和Ni-Ti化合物比例从10.17%降至3.87%。二是引入弥散剂。三维结构（如Cu网、三维石墨烯海绵、三维SiO₂纤维）可通过连续骨架结构阻挡脆性化合物生长；添加陶瓷颗粒（如TiC）也可抑制脆性化合物形成，例如添加32 wt.%TiC使C/C-GH3044接头中连续脆性Ti₂Ni化合物从27.4 vol.%降至1.8 vol.%。三是添加消耗相。通过添加能与活性元素反应的颗粒（如WB、Si₃N₄、SiO₂）消耗活性元素，原位生成细小的增强相（如TiB晶须、TiN、TiSi₂等），改善接头微观组织。

**4.3 低服役温度**

银基钎料在400～500 ℃开始软化，导致接头性能显著下降，限制了接头在500 ℃以上服役。提高方法包括：一是添加高熔点元素Pd。AgCuTiPd钎料中形成CuPdTi相，Si₃N₄/42CrMo接头在700 ℃下仍保持125 MPa弯曲强度。二是开发高温钎料。Au基钎料（如AuNiVMo）具有高熔点、优异耐热性和良好塑性，Al₂O₃/AuNiVMo/Al₂O₃接头在900 ℃下强度仍达100 MPa。但Au、Pd成本高昂，需控制添加量以平衡经济性。

**5. 结论与展望**

该综述系统总结了AMB用银基钎料的五类体系及其应用，指出接头残余应力、过量脆性化合物和低服役温度是三大主要问题，并提出了相应的控制策略。尽管取得显著进展，但仍存在挑战：银基钎料在陶瓷基体上的润湿和界面连接机理需更深入探索，尤其是近年报道的Ag在某些陶瓷上的直接润湿现象仍存在争议；接头在长期和复杂环境下的服役性能研究不足，动态条件、低温及腐蚀介质下的性能数据匮乏；开发兼具高塑性、高热阻和高强度的新型银基钎料仍是未来方向。该综述为AMB用银基钎料的设计、界面调控和接头性能优化提供了系统性参考，有助于推动新型钎料体系和钎焊策略的开发。