蓝宝石为α-Al 2 O 3 单晶，是一种具有高强度、高热震抗力、高耐腐蚀性能和高透波率等优异物理特性、机械特性和化学特性相独合的优良晶体材料，被越来越广泛地应用于红外军事装备、卫星的光学窗口、导弹整流罩等领域。现有的材料中，ZnS是唯一的较大的窗口材料，但其硬度不足，对光和物理波的散射严重，而且重量较大，价格昂贵，影响窗口的光学性能和力学性能。相对而言，蓝宝石更轻、更亮、更薄、对光的散射更低。可以预见，越开越多的窗口原件将选择蓝宝石作为元材料。因此，蓝宝石与金属基体的连接技术的研究尤显重要。

     目前，国内使用的蓝宝石与金属的连接方法为胶接和机械连接，了这些连接方法存在着较大的缺陷。胶接接头强度低，且不能承受高温（300 ℃以上 ），易老化，严重影响连接件的使用寿命和可靠性。机械连接构建的气密性不足，蓝宝石螺孔加工困难，且容易产生应力集中而拉裂。蓝宝石与金属的连接技术作为目前飞行器的设备的关键技术之一而备受关注。美国、以色列、俄罗斯等国家，已经将蓝宝石和金属的可靠连接结构成功用于国防设备中。本文阐述了蓝宝石与金属的各种连接方法，并对其在连接工艺及性能等方面做了比较，重点分析了钎焊技术在蓝宝石/金属连接上的应用。

1  蓝宝石连接方法及其研究现状

     蓝宝石属陶瓷类材料，与金属的性能相差很大。因此，连接蓝宝石与金属，须解决焊料与蓝宝石的物理化学反应及热膨胀系数的匹配问题。国内外学者运用不同的连接方法，对蓝宝石与金属的连接做了大量研究。

1.1  熔接法

     使用熔接法焊接蓝宝石与金属的文献目前鲜有报道。熔接法时通过高温度使金属才来哦熔化，蓝宝石与金属之间通过物理化学反应而连接在一起。熔接法焊接时形成的熔化区很窄，加热速度快，效率高，单会在连接部位产生较大的局部应力，会降低连接的可靠性。熔接法难以形成面积较大的面-面连接，且工艺复杂、成品率低。采用这种连接方法焊接的过程中，还英爱采取严格的工艺措施，以防止母材的热震失效和裂纹等缺陷的产生。

1.2  玻璃焊接

     在不同零件间加入玻璃或利用焊料熔化后形成的玻璃相来润湿并连接被焊工件的方法称为玻璃焊法。赵德才采用MAS玻璃钎焊法和反应烧结法两种工艺，分别以MAS玻璃焊料和Al 2 O 3 系无机焊料为中间层进行蓝宝石的连接。采用MAS玻璃焊料时，所得街头的最大四点弯曲强度为129 Mpa 。由于接头中产生了微裂纹，断裂均发生在钎缝内部。采用纯 Al 2 O 3 粉末中间层反应烧结法连接蓝宝石/蓝宝石时，所得街头的最高四点弯曲强度为193 Mpa ，单焊缝区发现了较多的气孔和空洞等。用 98.5 Al 2 O 3 +1 SiO 2 +0.5MgO(wt%)的混合粉末作为中间层反应烧结蓝宝石与蓝宝石时，在钎料层与母材之间局部区域已看不出连接接线，湿润性较好，存在明显的反应层，最高四点弯曲强度达224 Mpa 。从弯曲试验获得的接头断口分析得出，该法所得试样的断裂基本上是从焊缝处起裂，然后向近界面的蓝宝石中扩展，最终在蓝宝石中断裂。在该试验中， SiO 2 和 MgO的加入能阻碍晶界移动，抑制晶粒长大，降低晶粒生长速率。但无机金属粉末的生坯密度有限，烧结时扩散阻力大，导致烧结后焊缝中的空洞没有完全采用“闭合”。另外，焊料中的气泡无法排出，最终聚集长大，形成大缺陷。另一方面，焊料中的细颗粒的团聚也会造成缺陷的产生。

     使用玻璃焊法所得焊缝中容易形成各种缺陷，且玻璃曾易受服饰，高温稳定性差。在焊后冷却时，由于膨胀系数相差较大，焊缝中会产生较大的应力，严重时导致开裂。另外，玻玻璃焊法的焊接温度普遍较高，不利于在蓝宝石与金属的焊接中的应用。

1.3  钎焊

     钎焊时连接陶瓷与金属最为长用的方法之一。由于蓝宝石的化学性质比较稳定，普通钎料很难再蓝宝石表面铺展。目前钎焊蓝宝石与金属的方法主要分为两类：一类是直接采用含有活性金属元素的钎料进行钎焊，称之为活性焊接；另一种是先对蓝宝石表面进行金属化处理，再使用常规钎料钎焊连接，称为间接焊接。

1.3.1  活性焊接

      采用活性焊接方法不需要在陶瓷表面进行金属化，但是所选用的钎料须含有活性元素，以利于钎料在蓝宝石表面的润湿。活性焊料中常用的活性元素包括：Ti、Zr、Cr、Ta、V等。目前，研究较多的活性钎料主要有Ag-Cu-Ti、Cu-Ti、Ag-Cu-Ti-Zr系。

     宁洪龙等人采用活性钎焊法研究了蓝宝石与热等静压99%氧化铝的封接性能。在845℃-860℃，真空环境下，采用Ag-27.5Cu-2Ti焊料，获得了结合强度为72.5 Mpa 的钎焊接头。文献研究使用 Ag-CuO-Ti系钎料焊接氧化铝陶瓷（ Al 2 O 3 ＞ wt95% ），在钎焊温度为1100℃，保温时间为10Min时，Ag-CuO-Ti钎料的铺展性能、界面硬度过渡情况和接头强度最好。档钎料成分含量为Ag-8CuO-0.5Ti（ wt% ）时，旗呐喊接头的四点弯曲强度达到212.36 Mpa ，接头的断裂形式均为脆性断裂。文献作者认为钎焊温度低，保温时间短，钎料与木材之间的互相作用时间短，界面没有进行充分反应，反应层厚度较薄；反之则界面反应月充分，反应层厚。由于焊缝的反应层都由脆性化合物组成，断裂发生在邻近钎缝的陶瓷侧或钎焊界面处，裂纹沿脆性组织扩展。所以在实际生产应用中，陶瓷连接初期，应设法促使界面反应充分进行，但在达到最佳厚度后迅速停止加热，以防止接头性能的下降。文献报道了采用 Ag-Cu-Ti火星钎料直接钎焊99.7%的高纯氧化铝陶瓷与无氧铜，钎焊温度850℃-900℃，焊后接头抗剪强度达到90 Mpa，接头由 Cu/Ag（Cu），Cu（Ag，Ti）/Cu 3 Ti 3 O（TiO 2 ）/ Al 2 O 3 组成，反应层以 Cu 3 Ti 3 O为主。随着钎焊温度提高，铜基体向钎料侧足部渗透，消耗部分活性元素Ti，反应层的厚度和形态明显发生变化，导致接头的抗剪强度降低。顾小龙等人所做的类似研究中，在钎焊温度为900℃，保温时间为5min时，95% Al 2 O 3 陶瓷/ Ag-Cu-Ti/可伐合金4J33（Fe-15Co-33Ni）接头抗剪请阿杜为144 Mpa ，其接头断裂只要发生在陶瓷 -钎料界面处，同时在界面中国形成的 TiFe 2 、TiNi 3 金属间化合物层也会形成裂纹。

     使用70Cu-25Ti-5Zr钎料对 Al 2 O 3/ Nb进行钎焊时，在1293K、保温10min的提哦啊剑侠，界面产生了三种新相： Cu 2 Ti 4 O、Ti固溶体、Cu，界面结构为 Al 2 O 3// Cu 2 Ti 4 O/Ti固溶体/CuTi/Cu固溶体+CuTi。强度试验结果表明在上述焊接温度和保温时间下使用Cu70-Ti25-Zr5钎料的接头请阿杜可达到162 Mpa ，增加或减少 Ti的质量分数以及改变保温时间都会使接头抗剪强度下降。使用Ni-Ti钎焊高纯 Al 2 O 3 所得的焊缝的中部为 Ti的固溶体，反应层为Ti 2 Ni，形成一种三明治的牢固、致密的来你姐。专家在研究使用含Ti的Ag-Cu基钎料焊接蓝宝石和KOVAR合金时，发现焊缝中生成了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，在陶瓷与金属的连接中，Ag-Cu-Ti钎料的应用最为广泛。采用这种方法连接蓝宝石与金属，方法简便，连接可靠，省时节能。

1.3.2  间接焊接法

     首先对蓝宝石表面进行金属化（即表面活化）处理，然后用钎料把金属镀层和金属钎焊在一起。钎焊工艺中，陶瓷材料表面常用的金属化方法有Mo-Mn法、化学镀活化、离子镀活化等。

     Mo-Mn法的工艺过程为：将Mn O 2 与  Mo粉涂到陶瓷表面，在N 2 或H 2 气氛中高温烧结，表面形成玻璃相，同时部分金属氧化物被还原，产生金属表面层。蓝宝石是眼挂虑单晶，不存在晶界，不含玻璃相，采用高温活化Mo-Mn法可以实现其金属化，并能够获得比较满意的封接效果。但与95%氧化铝陶瓷相比，其封接强度的稳定性尚有较大差距。造成这一情况的原因之一是蓝宝石材料本身对缺陷更加敏感，使实验数据离散型较大。文献采用  Mo-Mn法活化单晶宝石获得了较好的金属化层。专家采用  Mo-Mn法对95%氧化铝陶瓷进行金属化，并将其与Ni进行了连接，获得了较高的结合强度。但是采用Mo-Mn法金属化陶瓷耗时耗能，现在很少采用。

     张永清等采用化学镀的方法在氧化铝陶瓷表面镀Ni，然后采用Ag-Cu与Q235钢进行钎焊，街头的抗剪请阿杜达到了78 Mpa 。

     离子镀是指在真空条件下，利用气体放电使工作气体或被蒸发物质（镀料）部分离化，在工作气体离子或被蒸发物质的离子轰击作用下，把蒸发物或其反应物沉积在被镀物体表面的过程。离子镀具有许多优点，如温度低，附着力好，沉积速度快，适用范围广、绕镀性好等。文献采用离子镀的对蓝宝石窗进行金属化后，采用 Ti-Ag-Cu钎焊含蓝宝石与无氧铜，气密性良好。

     朱胜等研究用了射频溅射膜改善AIN陶瓷与金属连接的方法：用射频溅射将Ti、Al沉积到AIN表面，然后再真空炉中用Ag-19.5Cu-3Ti-5In钎焊连接AIN陶瓷（镀Ti膜）-Cu和AIN（镀AL）-Cu，所得试样街头的平均剪切强度分别为120 Mpa 和 127 Mpa ，比在相同条件下焊接未镀膜的试样所得街头的平均剪切强度提高了约 30 Mpa 。

     另外，文献成功实现了用磁控溅射离子镀技术溅镀 Ti膜，这为蓝宝石的镀Ti金属化提供了参照。

     除以上金属化方法外，还有真空蒸镀、气相沉积、离子注入、电镀等金属化方法。对于非氧化合物陶瓷与金属的连接大多数采用PVD法第氧化铝陶瓷表面形成氧化钛膜，再用PVD沉积氧化钛或金属Ti薄膜，改性后将其与可阀合金钎焊连接，得到了抗拉强度小于100 Mpa 的接头。