浏览全部资源
扫码关注微信
收稿：2025-08-28，
纸质出版：2025-10-20
移动端阅览
蓝宝石与钛合金（TC4）的激光直接熔焊连接是航空航天、电子封装等领域的重要难题，通过系统研究0~1.75 MPa界面压力对焊接质量的影响，发现压力参数通过调控界面接触、元素扩散和应力分布三重机制显著影响接头性能。结果表明，在0.75 MPa优化界面压力下，实现界面间隙的消除、促进Ti-Al互扩散形成AlTi
3
金属间化合物，并有效平衡界面结合与母材完整性，接头剪切强度达到32.0 MPa，断口分析显示该条件下呈现脆性混合断裂特征。而压力过高（≥1.25 MPa）会导致蓝宝石母材 开裂，压力不足（≤0.25 MPa）则产生未焊合缺陷，接头仅为机械连接。该研究成果为蓝宝石和金属异质材料直接熔焊提供了新的解决方案。
The laser direct welding connection between sapphire and TC4 alloy was an important challenge in the fields of aerospace
electronic packaging. Through systematic research on the influence of interfacial pressure from 0 MPa to1.75 MPa on welding quality
it was found that pressure parameters significantly affect joint performance by regulating the triple mechanism of interface contact
element diffusion
and fracture mechanism. Under the action of the optimized interface pressure of 0.75 MPa
even in the practical working conditions where the welded parts are in non-optical contact and the metal surface roughness is as high as Ra 0.8 μm
the elimination of interface gaps
the promotion of Ti Al interdiffusion to formAlTi3 intermetallic compounds
and the effective balance between interface bonding and base metal integrity were achieved. The shear strength of the joint reached 32.0 MPa
and fracture analysis showed brittle mixed fracture characteristics under this condition. The research provided a novel solution for direct fusion welding of sapphire-metal heterostructures.
Royter Y ， Furuta T ， Ksdama S ， et al . Integrated packaging of over 100 GHz bandwidth uni-traveling-carrier photodiodes ［J］. IEEE Electron Device Lett ， 2000 ， 21 （ 4 ）： 158 - 160 .
Lin K L ， Singh M ， Asthana R . Interfacial characterization of alumina-to-alumina joints fabricated using silver-copper-titanium interlayers ［J］. Mater Charact ， 2014 （ 90 ）： 40 - 51 .
Peng X ， Shimai S ， Sun Y ， et al . Wet green‐state joining of alumina ceramics without paste ［J］. JAm Ceram Soc ， 2015 ， 98 （ 9 ）： 2728 - 2731 .
Trunec ， Martin ， Jens Klimke ， et al . Transparent alumina ceramics densified by a combinational approach of spark plasma sintering and hot isostatic pressing ［J］. Journal of the European Ceramic Society ， 2016 ， 36 （ 16 ）： 4333 - 4337 .
Chen Z ， Chang H ， Cheng T ， et al . Direct growth of nanopatterned graphene on sapphire and its application in light emitting diodes ［J］. Advanced Functional Materials ， 2020 ， 30 （ 31 ）： 2001483 .
Peng X ， Shimai S ， Sun Y ， et al . Wet green‐state joining of alumina ceramics without paste ［J］. Journal of the American Ceramic Society ， 2015 ， 98 （ 9 ）： 2728 - 2731 .
ZHANG Y T . Comparisons of structural and optical properties of ZnO films grown on （0001）sapphire and （011-2） sapphire by low-pressure MOCVD ［J］. Optical Materials ， 2004 ，27. 3 ： 399 - 402 .
He L ， Chen C ， Li H ， et al . Research advances in joining processes of sapphire ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2022 ， 121 （ 1 ）： 59 - 81 .
Lu Q ， Long W ， Zhong S ， et al . TZM/graphite interface behavior in high-temperature brazing by Ti-based brazing filler materials ［J］. Welding in the World ， 2020 ， 64 （ 11 ）： 1877 - 1885 .
Liu Q ， Long W ， Fu L ， et al . Microstructure and mechanical properties of hydrogenated Ti-0.3 Mo-0.8 Ni Alloy Gas tungsten Arc welding joints ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2021 ， 30 （ 2 ）： 1022 - 1029 .
Dillon S J ， Harmer M P . Mechanism of “solid‐state” single‐crystal conversion in alumina ［J］. Journal of the American Ceramic Society ， 2007 ， 90 （ 3 ）： 993 - 995 .
Yang J ， Oliveira J P ， Li Y ， et al . Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels： A critical review ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2022 ， 301 ： 117443 .
MacDonald W ， Eagar T W . Transient liquid phase bonding ［J］. Annual Review of Materials Research ， 1992 ， 22 （ 1 ）： 23 - 46 .
Sugioka K ， Cheng Y . Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing ［J］. Light：Science & Applications ， 2014 ， 3 （ 4 ）： 149 .
Liu D ， Zhao K ， Song Y ， et al . Effect of introducing carbon fiber into AgCuTi filler on interfacial microstructure and mechanical property of C/C-TC4 brazed joints ［J］. Materials Characterization ， 2019 ， 157 ： 109890 .
Yuan H S ， Li H ， Wang Y Y ， et al . Residual Stress Distribution in Sapphire/Ti6Al4V Alloy Joints Brazed with CuTi+ B Composite Fillers ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2024 ， 33 （ 15 ）： 7638 - 7651 .
Li C ， Si X ， Chen L ， et al . Non-destructive measurement of residual stress distribution as a function of depth in sapphire/Ti6Al4V brazing joint via Raman spectra ［J］. Ceramics International ， 2019 ， 45 （ 3 ）： 3284 - 3289 .
Liu S ， Liu H ， Zhou L ， et al . Specially Structured AgCuTi Foil Enables High-Strength and Defect-Free Brazing of Sapphire and Ti6Al4V Alloys： The Microstructure and Fracture Characteristics ［J］. Materials ， 2024 ， 17 （ 15 ）： 3812 .
Fan Z ， Zhang K ， Liu J ， et al . Microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy and sapphire joint brazed with graphene-AgCuTi ［J］. Materials Research Express ， 2020 ， 6 （ 12 ）： 1265k4 .
Long W ， Lu Q ， Zhong S ， et al . Research on interface structure and performance of diamond brazed coating based on non-vacuum environment ［J］. Welding in the World ， 2022 ， 66 （ 5 ）： 1043 - 1052 .
Zhong S ， Li Y ， Shi Y ， et al . Effect of B on microstructure and properties of joints brazed by In-situ Ag-Cu-Zn-Sn filler metal with high Sn content ［J］. Materials Research Express ， 2022 ， 9 （ 11 ）： 116514 .
Qin J ， You M ， Si H ， et al . Microstructure and properties of diamond/Ni-based alloy composite coatings by induction brazing ［J］. Welding in the World ， 2023 ， 67 （ 11 ）： 2621 - 2634 ..
Hu S ， Zhong S ， Ma J ， et al . Making as-cast （FeCoNi） NbB alloys excellent mechanical and magnetic properties via refined eutectic microstructures ［J］. Journal of Materials Science： Materials in Electronics ， 2023 ， 34 （ 23 ）： 1669 .
Nakata Y ， Okada T ， Maeda M . Fabrication of dot matrix， comb， and nanowire structures using laser ablation by interfered femtosecond laser beams ［J］. Applied physics letters ， 2002 ， 81 （ 22 ）： 4239 - 4241 .
Küper S ， Stuke M . Ablation of uv-transparent materials with femtosecond uv excimer laser pulses ［J］. Microelectronic Engineering ， 1989 ， 9 （ 1-4 ）： 475 - 480 .
Kru J ， Kautek W . Femtosecond-pulse visible laser processing of transparent materials ［J］. Applied surface science ， 1996 ， 96 ： 430 - 438 .
Pan R ， Yang D ， Zhou T ， et al . Micro-welding of sapphire and metal by femtosecond laser ［J］. Ceramics International ， 2023 ， 49 （ 13 ）： 21384 - 21392 .
Li Z ， Yi Z ， Jia X ， et al . Micro-welding of non-optical contact sapphire/metal using Burst femtosecond laser ［J］. Materials Letters ， 2024 ， 377 ： 137540 .
Yu H ， Zhao J X ， Zhang L J ， et al . Femtosecond laser welding of sapphire-copper using a thin film titanium interlayer ［J］. Optics & Laser Technology ， 2024 ， 177 ： 111063 .
Yang M ， Jiang Q ， Zhang X ， et al . Effects of surface roughness on the microstructure and mechanical properties of dissimilar sapphire/Invar36 alloy joints made by ultrashort pulsed laser micro-welding ［J］. Journal of Laser Applications ， 2024 ， 36 （ 3 ）： 032021 .
Zuo X ， Lin L ， Hu Y ， et al . High-strength and impermeable sapphire/aluminum joints fabricated by ultrafast laser microwelding：Microstructures and joining mechanism ［J］. Optics & Laser Technology ， 2025 ， 180 ： 111455 .
相关作者
相关机构
公网安备11010802024621
