蓝宝石在很多高技术领域中都有广泛的应用前景。采用蓝宝石制造大尺寸、复杂结构构件,其连接技术是产品制造的关键技术之一。目前,用于连接蓝宝石的主要方法一般都需要高温环境,导致热应力问题。如果能够在较低温度下实现蓝宝石的界面结合,无疑将大大简化蓝宝石焊接的工艺流程,提高效率,降低成本,并且有利于缓解焊接接头的应力问题。目前已有研究表明在蓝宝石与Al的界面反应外延可能在较低温度下形成牢固界面结合。但是使用常用的扩散焊或真空钎焊等方法通常只能实现部分界面的反应。超声波能够在液/固界面形成局部的特殊物理环境,促进反应进行。本文的主要内容在于揭示了超声波对液态合金中的蓝宝石反应外延的促进作用,液态金属/蓝宝石界面的超声辅助蓝宝石液相反应外延规律,以及使用Al合金、Zn-Al合金和Sn-Al合金钎料在中温到低温范围内超声波钎焊蓝宝石的新工艺。研究了在声场作用下700℃左右的环境中蓝宝石在液态纯Al和Al-4.5Cu-1.5Mg合金中的反应外延特征。随着超声时间的延长,在液态纯Al中蓝宝石表面的反应外延层既经历了厚度的增加,也经历了内部结构的相变。超声作用起始阶段,蓝宝石表面生成较薄的以非晶为主的异质外延层;超声时间延长到300s,表面生成厚度数百纳米的多晶γ-Al2O3异质外延层。超声时间延长到1000s,蓝宝石晶体向外生长吞噬γ-Al2O3异质外延层形成α-Al2O3反应外延层。在液态Al-Cu-Mg合金中,蓝宝石表面形成了 MgAl2O4的异质尖晶石外延层。这一尖晶石外延层的形成过程是通过局部形核-长大过程实现的。在250℃左右的液态Sn-Zn-Al合金中,随着超声作用时间的延长,蓝宝石表面生成物从非晶演变成纳米晶与非晶的混合物,并且这一生成物层始终保持着与蓝宝石基体的准共格关系。因此将在低温下生成的蓝宝石表面纳米氧化铝层成为外延层。在超声波的作用下,以上反应外延均能实现整个蓝宝石表面的完全覆盖。基于上述现象,设计和试验了使用中温Al基合金、中低温Zn基合金和低温Sn基合金超声钎焊蓝宝石的试验。其设计原则为:首先要在合金中包含一定量的Al元素,以使得在超声的作用下蓝宝石与合金之间能够形成良好的界面结合;其次针对Al、Zn合金的焊接温度提出相应的应力控制措施。使用纯铝钎焊蓝宝石,得到的接头强度约为50MPa,焊缝的薄弱环节是剪切强度较低的Al金属。使用强度更高的Al-12Si合金作为填充金属,蓝宝石接头剪切强度仅可达约60MPa。焊缝的薄弱环节在于蓝宝石与Si晶粒之间的结合强度较弱。蓝宝石与纯铝合金的超声辅助氧化沉积反应界面的剪切强度超过纯铝本身的强度。Al-4.5Cu-1.5Mg合金具有很高的强度,且内部不含Si。但是使用这种合金制作的蓝宝石接头存在很大的热应力问题,接头界面存在裂纹。因此引入了随焊热处理工艺,消除了接头中的裂纹,得到的名义剪切强度高达约130MPa。使用有限元分析的方法初步估计出这一界面的实际剪切强度与抗拉强度分别不低于230MPa和190MPa。使用Zn-4Al合金钎焊了蓝宝石接头。在420℃下,Zn-4Al钎料中的Al元素可以在超声波的作用下与蓝宝石发生界面反应,形成氧化铝的沉积。但是单独使用Zn-4Al钎焊蓝宝石得到的接头界面附近存在裂纹,接头的强度只能达到60MPa左右。为了缓解接头热应力问题,利用在超声的作用下Zn-Al合金对Al基复合材料的超常溶解,提出了使用55%SiCp/A356复合材料作为“前驱体”的钎焊方法,得到了由SiC颗粒和Zn-Al合金组成的新型复合材料结构焊缝。其中SiC颗粒的体积分数可达约40%,估计的焊缝CTE仅为7.4×10-6/K,与蓝宝石基体十分接近。接头强度最大可达到～155MPa。使用 Sn-3Ag-0.5Cu-1Al、Sn-9Zn-2Al 和 Sn-53Bi-0.5Al 合金制作 了蓝宝石接头,剪切强度分别达到57MPa、48MPa和27MPa。在合金中不含Al的情况下三种合金都可以在蓝宝石表面铺展,但是它们与蓝宝石的结合属于吸附结合,界面强度很低。在合金中添加Al元素后,一方面在超声涂覆过程中蓝宝石表面形成纳米氧化铝准反应外延层,另一方面在靠近蓝宝石表面的合金中会形成数微米厚的富Al层,两者共同的作用使得界面强度大大提高。当Sn合金中的Al含量超过1wt%时,接头剪切强度可达57MPa;Al含量低于1 wt%时仅可达27MPa。