残余应力的分布以及退火温度对玻璃-科瓦合金（glass-to-Kovar）密封件残余应力影响的研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Distribution of residual stress and the effect of annealing temperature on residual stress of glass-to-Kovar seals

火焰旋转熔融密封制备玻璃-Kovar密封件，通过不同退火温度（480℃为最优）测试残余应力分布及热冲击性能，发现残余应力集中于玻璃与金属界面区域，退火后应力显著降低（ circumferential compressive stress gi?m 46.8%，tensile stress gi?m 62.5%），温度偏离导致应力释放不完全。

　　

张宇|齐晓宇|孙楠楠|张雷

中国沧州市河北水利电力学院基础系

摘要

采用火焰旋转熔接工艺制备了玻璃-科瓦合金（glass-to-Kovar）密封件，并在高温炉中以不同温度进行退火处理。使用偏振应力计测量并分析了密封件各区域的残余应力分布。同时通过淬火试验评估了密封件的抗热震性能。结果表明，密封件中的残余应力主要集中在靠近密封表面的玻璃区域以及密封表面本身，包括环向和轴向应力分量，这些应力通常表现为拉应力和压应力的耦合形式。在480°C的最佳退火温度下，密封件靠近密封表面的三种可区分的残余应力类型均显著降低：环向压应力减少了约46.8%，环向拉应力减少了约62.5%。温度偏离480°C会导致应力释放效果减弱，而温度偏离过大则无法完全消除某些类型的应力。

引言

随着全球经济、科学和技术的快速发展，对能源的依赖日益增加。能源供需之间的不平衡严重制约了可持续的社会发展。作为一种取之不尽的清洁能源，太阳能成为解决能源挑战的关键。在太阳能技术中，基于真空集热管的槽式聚光太阳能技术因其环保性和稳定的能量输出而受到广泛关注。玻璃-金属密封区域是太阳能真空集热器的核心部件，其性能直接影响集热器的效率和使用寿命。为了提高密封性能，人们开展了大量关于连接方法[[1], [2], [3], [4]]和密封工艺[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]的研究。这些研究表明，影响密封性能的主要因素是密封区域的残余应力及界面结合强度。界面结合强度主要与金属表面的氧化层形态和厚度[[13], [14], [15]]以及密封热处理温度[[16,17]]有关。残余应力还受到材料类型、部件几何形状、尺寸、插入深度和热处理条件等多种因素的影响。张雷[18]和鲍成伟[19]研究了不同密封材料和尺寸参数对残余应力的影响，他们的研究表明应力大小和分布并不受密封区域半径的影响，主要取决于密封材料、玻璃管和金属环的厚度以及熔接密封的长度。Shekoofa[20]和钟正军[21]研究了金属插入玻璃深度对残余应力的影响，发现应力在一定范围内随插入深度增加而增大。退火是缓解残余应力的关键工艺；然而，关于热处理温度（尤其是密封后退火）对残余应力影响的研究相对较少。通常情况下，较高的退火温度可以在其他条件适宜的情况下实现更快更彻底的应力释放。但由于玻璃-金属密封件涉及性质不同的材料，退火温度对最终残余应力的影响仍需进一步研究。

基于以上考虑，本研究选择了具有良好相容性的硼硅酸盐玻璃和科瓦合金，采用旋转熔接方法制备了玻璃-科瓦合金密封件，并系统地考察了不同热处理温度对密封区域残余应力的影响。

材料与测试仪器

本研究中使用的科瓦合金环是在我们实验室制造的。科瓦合金是一种Fe-Co-Ni三元合金，环的直径为143毫米，密封边缘的厚度为0.2毫米。玻璃管从芜湖万晨特种玻璃有限公司采购，尺寸为Φ145毫米（外径）× 500毫米（长度），壁厚为3毫米。残余应力测量使用的是偏振应力计（型号PTC-403，苏州景创光学有限公司生产）。

玻璃-科瓦合金密封件的残余应力分布

图2展示了未退火玻璃-科瓦合金接头的残余应力分布情况。如图2a所示，残余应力主要集中在两个区域：靠近密封表面的玻璃（图中标记为①）和密封表面上的玻璃（图中标记为②）。每个位置的应力状态由两个主要分量组成：环向应力和轴向应力。由于拉应力和压应力通常以耦合形式存在，因此...

结论

• 1)
  密封后的接头具有复杂的残余应力场，主要集中在靠近密封界面的玻璃区域和密封表面。应力状态由环向和轴向应力分量组成，这是由于密封过程中的离心效应、玻璃与科瓦合金之间的热膨胀不匹配以及冷却过程中的温度梯度造成的。
• 2)
  当退火温度与玻璃-金属材料的匹配度较高时，冷却后的残余应力最小。

作者声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据声明

由于商业保密协议，数据未公开。

作者贡献声明

张宇：撰写初稿、数据整理。齐晓宇：数据可视化、监督、正式分析。孙楠楠：数据可视化、数据整理。张雷：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金争取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

张宇报告称设备、药品或耗材由TX公司提供。如果有其他作者参与，他们也声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。