CN101050127A - 用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料 - Google Patents

用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料 Download PDF

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CN101050127A CN 200710087292 CN200710087292A CN101050127A CN 101050127 A CN101050127 A CN 101050127A CN 200710087292 CN200710087292 CN 200710087292 CN 200710087292 A CN200710087292 A CN 200710087292A CN 101050127 A CN101050127 A CN 101050127A
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Abstract

本发明是一种用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：1.5～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。本发明钎料在1140℃～1296℃的钎焊温度下获得Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷连接接头，对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达250～370MPa，本发明钎料不仅适于Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基复合材料)自身的钎焊，也适于Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基复合材料)与其它陶瓷材料或金属材料组合接头的连接。

Description

用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料
技术领域
本发明是一种用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，属于焊接技术领域。
背景技术
Si3N4陶瓷以及Si3N4陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构陶瓷材料。但由于陶瓷材料的加工性能差、耐热冲击能力弱以及制造尺寸大而形状复杂的零件较为困难等缺点，通常需要与金属材料组成复合结构来应用或者通过陶瓷自身的连接来实现复杂构件的制造。
在Si3N4陶瓷的钎焊连接中，较多地使用传统的Ag-Cu-Ti(A P Xian，Z Y Si.Journal of Materials Science.1992，27：1560)、Cu-Ti(翟阳，任家烈，庄丽君，曹余庆，孙李军。金属学报.1995，31(9)：B423)系活性钎料等，虽然某些钎焊接头强度较高，但接头的高温性能差，从而制约了结构陶瓷高温性能的发挥。
国外最近十多年以来在研究陶瓷与金属连接用的新型高温钎料中，较多地设计含有贵重金属或以贵重金属Au、Pd、Pt、Ag-Pd为基的钎料成分，研究目标是使钎焊后接头能在650℃或更高的温度下工作，其中获得较好结果的有Au-基钎料如Au-33～35Ni-3～4.5Cr-1～2Fe-1～2Mo(wt％)和Au-36.6Ni-4.7V-1Mo(at.％)等钎料。使用上述的Au-Ni-Cr-Fe-Mo钎料钎焊Si3N4/Incoloy909(铁基低膨胀合金)，虽然获得的接头在650℃温度下强度值较高，但比起室温已经出现下降(S Kang and H J Kim，Welding Journal，1995，74(9)：289-s)，而且使用该钎料在钎焊前Si3N4表面须预镀Ti膜，对工艺控制要求严格，对应的陶瓷/金属接头耐热温度也不够高。Au-36.6Ni-4.7V-1Mo钎料获得的Si3N4/Si3N4接头，其室温四点弯曲强度高达393MPa，但700℃时强度值已经不足室温的40％(S DPeteves，M Paulasto，G Ceccone and V Stamos.Acta Mater.，1998，46(7)：2407；M Paulasto，G Ceccone，S D Peteves，R Voitovich andN Eustathopoulos.Ceramic Transactions，1997，77：91)。还有资料报道了设计Au-Pd-V钎料进行Si3N4/Si3N4连接的研究结果，钎料中Pd的含量接近8wt％，V含量为3～4wt％，对应接头在室温下平均四点弯曲强度达到350MPa，但600℃时强度值已经不足室温的60％，800℃时强度值已下降到室温的50％(RE Loehman.Key Engineering Materials，1999，161-163：657)，说明该钎料长期工作温度甚至很难超过600℃。
另外，国外也有设计Ni-20.35Cr-10.04Si(at.％)钎料进行Si3N4/Si3N4连接的研究报道(Ali Mohammad Hadian and Robin A.L.Drew.J.Am.Ceram.Soc.，1996，79(3)：659)，接头室温弯曲强度明显偏低(仅为118MPa)，虽然接头在700℃～900℃高温下四点弯曲强度可提高到200～220MPa，但考虑该钎料对应的接头室温强度低和脆性很大的特点，钎料实用性很差，也基本不能用于Si3N4陶瓷与金属的连接(后续也未见使用该钎料进行陶瓷与金属连接研究的报道)。
综上所述，目前国内外还缺乏可直接用于Si3N4陶瓷连接且接头在不低于700℃温度下具有稳定高温性能的实用钎料。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，属于Pd-Co-Au-Ni-V-Si-B系高温活性钎料。既可以用来钎焊Si3N4陶瓷以及Si3N4陶瓷基复合材料，又可以用来连接相应的Si3N4陶瓷与其他陶瓷材料或金属(如高温合金)组合接头的连接。陶瓷钎焊接头强度高而且高温性能稳定，
本发明的目的是通过以下措施来实现的：
该种用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：1.5～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
制备上述高温钎料的方法是，首先在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此合金原料熔炼成合金锭；然后使用下述方法之一制备钎料：
(1)采用氩气雾化制粉设备制备粉末状钎料；
(2)在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷箔带钎料；
(3)采用电火花线切割方法从合金锭上切出薄片，再将薄片正反面机械磨光。
(4)由两三种成分简单的合金薄带轧制成具有设计成分的钎料合金复合带。
使用上述高温钎料进行钎焊的方法是：
(1)装配，根据连接接头的要求进行Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷或Si3N4陶瓷/金属的装配，在Si3N4陶瓷/陶瓷的连接界面、或Si3N4陶瓷/金属接头中陶瓷与相邻缓释层之间加入本发明急冷箔带钎料、或合金粉末状钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片；
(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，保温后再随炉冷却至室温。
本发明技术方案的优点是：本发明所述高温钎料可以用来直接钎焊Si3N4陶瓷，不需要在焊前对Si3N4陶瓷进行表面预镀膜或其它改性处理；本发明钎料对应的Si3N4陶瓷自身连接接头强度高而且高温(700℃～900℃)性能稳定。另外，本发明钎料还可以用来连接相应的Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基复合材料)/金属(如高温合金等)组合接头。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
表1给出了本发明技术方案所述高温钎料的实施例及其每一个实施例中的成份及重量百分比组成。
实施例                                  成分(wt％)
  Co   Au   Ni   V   Si   B   Pd
  1   24.2   31.2   8.2   7.8   0.5   0.0   余
  2   22.6   32.2   9.4   6.9   0.5   0.0   余
  3   26.0   29.5   7.8   5.0   0.5   0.5   余
  4   20   28.5   6.0   15   0.7   0.3   余
  5   26.0   27.5   7.0   13   0.8   0.5   余
  6   23.0   29.5   9.0   12   0.0   0.0   余
  7   22.0   31.0   8.0   11.8   0.0   0.5   余
  8   27.5   18.6   5.2   17   0.5   0.4   余
  9   30.6   12.3   2.7   8.5   0.0   0.0   余
  10   29.5   13.8   3.6   11.2   0.0   0.0   余
  11   28.0   15.0   5.0   9.0   0.5   0.0   余
  12   27.0   18.0   5.0   12.0   0.0   0.0   余
  13   24.0   19.0   5.0   15.0   0.5   0.0   余
  14   25.6   21.5   5.5   12.0   1.0   0.0   余
  15   23.0   23.0   5.8   18.0   1.2   0.5   余
  16   22.5   28.3   8.8   8.0   0.0   0.0   余
  17   21.6   32.8   7.2   6.0   0.0   0.0   余
  18   20.5   32.0   7.0   5.0   0.5   0.0   余
  19   20.0   30.0   6.5   4.0   0.5   0.0   余
  20   23.4   28.7   6.3   6.5   0.0   0.0   余
  21   25.4   26.2   5.7   9.0   0.0   0.0   余
  22   28   25.5   8.0   11.0   0.0   0.5   余
  23   18   26   5.0   6.0   1.5   0.5   余
  24   20   25.2   4.0   7.0   0.5   0.0   余
  25   21   30   9.0   10.0   0.0   0.0   余
  26   22   29.3   8.0   7.0   0.8   0.0   余
  27   24   21.5   6.8   8.0   0.0   0.5   余
  28   25.2   24.6   5.4   7.0   0.0   0.0   余
  29   27.2   21.6   4.7   9.0   0.0   0.0   余
  30   28.8   16.4   3.6   8.0   0.0   0.0   余
  31   29.4   15.8   4.8   9.6   1.5   0.5   余
  32   30.8   10.2   5.5   13.0   1.0   0.5   余
  33   31.8   8.0   3.0   11.5   0.5   0.5   余
  34   32.4   8.2   2.0   9.0   0.0   0.0   余
  35   35.0   10.0   3.0   7.2   0.0   0.0   余
  36   36.2   9.2   2.5   12.3   1.0   0.5   余
  37   37.2   8.0   4.0   15.2   0.5   0.5   余
  38   38.8   7.2   0.0   16.8   1.5   0.5   余
  39   40.2   6.5   3.5   14.8   1.0   0.5   余
  40   41.8   5.0   5.0   12.0   1.5   0.5   余
  41   39.0   10   0.0   12.0   1.5   0.5   余
  42   38.2   4.0   0.0   13.0   0.0   0.0   余
  43   37.6   0.0   0.0   11.5   0.8   0.0   余
  44   36.0   4.5   0.0   10.0   0.0   0.0   余
  45   32.0   0.0   8.0   8.0   1.0   0.0   余
  46   35.2   0.0   6.0   6.0   0.0   0.5   余
  47   41.3   0.0   4.0   4.0   1.0   0.5   余
  48   39.5   0.0   0.0   7.0   0.0   0.5   余
  49   36.0   0.0   0.0   10.0   0.0   0.0   余
  50   35.0   0.0   0.0   12.0   0.0   0.0   余
  51   32.0   0.0   0.0   16.0   0.0   0.0   余
  52   36.0   0.0   0.0   13.0   2.0   1.5   余
  53   34.5   0.0   0.0   10.0   2.5   1.0   余
  54   36.2   0.0   0.0   8.8   2.5   1.0   余
  55   35.8   0.0   0.0   7.2   2.9   1.1   余
  56   36.2   0.0   0.0   5.6   3.2   1.5   余
  57   36.0   0.0   0.0   3.6   3.5   2.5   余
  58   35.0   0.0   0.0   5.0   3.2   1.6   余
  59   36.6   0.0   0.0   6.0   2.8   0.8   余
  60   32.3   0.0   9.4   7.0   2.5   0.8   余
  61   30.6   0.0   7.8   5.5   2.0   0.8   余
  62   29.7   0.0   6.0   8.0   2.0   1.0   余
  63   35.2   0.0   5.0   11.6   2.0   1.0   余
  64   32.2   0.0   6.5   13.5   1.0   0.5   余
  65   31.2   0.0   8.0   16.8   1.0   0.0   余
  66   30.0   0.0   7.2   15.6   1.8   1.2   余
  67   31.5   0.0   5.8   12.8   1.8   1.0   余
  68   33.7   0.0   4.0   9.6   2.0   0.7   余
  69   34.5   0.0   3.0   7.6   2.0   0.5   余
  70   36.6   0.0   5.6   6.2   1.0   0.5   余
  71   38.5   0.0   8.5   4.5   1.0   0.0   余
  72   34.2   4.6   0.0   13.2   1.5   0.5   余
  73   31.6   10.0   0.0   15.0   1.5   1.0   余
  74   29.0   15.0   0.0   13.0   1.0   0.5   余
  75   25.4   20.0   0.0   16.0   0.5   0.5   余
  76   26.9   21.0   0.0   12.7   0.0   0.0   余
  77   28.0   24.0   0.0   9.3   0.0   0.8   余
  78   24.5   26.0   0.0   12.6   0.0   0.0   余
  79   25.8   28.0   0.0   7.8   1.5   0.0   余
  80   27.2   30.0   0.0   7.0   0.0   0.0   余
  81   26.0   32.0   0.0   6.0   0.0   0.0   余
  82   25.0   35.0   0.0   4.0   0.0   0.0   余
上述实施例所述的高温钎料按如下工艺路线制备：
(1)选择纯度不低于99.0％的高纯Pd、Ni、Au、V、Si、B、Co，其中B元素在有条件的情况下可以以Ni-B的形式添加，并按重量配比称量；
(2)在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此合金熔炼成合金锭。
(3)采用下述方法之一制备钎料：
A、采用氩气雾化制粉设备制备合金粉末状钎料；
B、在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷态箔带钎料。对于单辊法快速凝固过程，单辊需以1000～10000r/min的高速度旋转，钎料锭块熔化形成液态后冷却速率介于103～106K/s之间。
C、从合金锭上采用电火花线切割方法切出薄片再正反面机械磨光后使用。
D、由两三种成分简单的合金薄带轧制成具有设计成分的钎料合金复合带。
本发明钎料也可以以合金块体或由高纯度元素按配比混合后直接使用。根据连接接头的要求进行Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷或Si3N4陶瓷/金属的装配，在Si3N4陶瓷/陶瓷的连接界面、以及Si3N4陶瓷/金属接头中陶瓷与相邻缓释层之间加入本发明急冷箔带钎料、或合金粉末状钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，或钎料合金复合轧制带，装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，按工艺要求保温后再随炉冷却至室温。
采用表1所示的实施例1-7，12-32，35-37，41，72-82的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、钎料合金复合轧制带的形式使用，实施例3-6，8-11，30-41的成分钎料，制成急冷箔带钎料形式使用，实施例1-3，9-22，24-25，27-30，33-37，72-82的成分钎料，从钎料合金锭上切出钎料薄片，进行了Si3N4陶瓷/陶瓷的连接；实施例42-51的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、从钎料合金锭上切出的钎料薄片的形式使用，进行了Si3N4陶瓷/陶瓷的连接；以表1所示的实施例52-71的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、急冷箔带钎料的形式进行了Si3N4陶瓷/陶瓷的连接。均获得高质量的陶瓷钎焊接头，接头平均室温三点弯曲强度达250～370MPa。
根据实际需要，本发明钎料也可以以熔炼获得的合金块体的形式使用，或由高纯度元素粉末(-200目)按配比混合后直接使用。
使用钯钴基高温活性钎料，获得的Si3N4/Si3N4接头中靠近Si3N4形成钒-氮、钒-硅反应层，接头中心组织特征为钯钴基高温合金相。对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达250～370MPa，其中使用含Au钎料获得的Si3N4/Si3N4接头在700℃下接头强度达到室温强度的80％以上；使用不含Au钎料获得的接头在700℃下可完全保留接头的室温强度，在800℃～900℃接头强度达到室温强度的80％以上。钎料不仅适于Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基复合材料)自身的钎焊，也适于Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基复合材料)与其它陶瓷材料或金属材料组合接头的连接。使用该钎料，采用复合缓释层结构，进行Si3N4/GH3044镍基高温合金的真空钎焊，接头最高三点弯曲强度达到112MPa。

Claims (24)

1、一种用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于，其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：1.5～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
2、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，V：1.5～22.0，Pd余量。
3、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.9，Pd余量。
4、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，V：1.5～22.0，B：0.2～2.9，Pd余量。
5、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.5，B：0.2～2.5，Pd余量。
6、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Ni：1.0～12.0，V：1.5～22.0，Pd余量。
7、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Ni：1.0～1 2.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.5，Pd余量。
8、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Ni：1.0～12.0，V：1.5～22.0，B：0.2～2.9，Pd余量。
9、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Ni：1.0～1 2.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.5，B：0.2～2.5，Pd余量。
10、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Au：2.0～33，V：1.5～22.0，Pd余量。
11、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Au：2.0～33，V：1.5～22.0，Si：0.1～3.5，Pd余量。
12、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Au：2.0～33，V：1.5～22.0，B：0.2～2.9，Pd余量。
13、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：20.0～45.0，Au：2.0～33，V：1.5～22.0，Si：0.1～3.0，B：0.2～2.0，Pd余量。
14、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：2.0～33，Ni：0.5～12.0，V：1.5～22.0，Pd余量。
15、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：2.0～33，Ni：0.5～12.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.5，Pd余量。
16、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：2.0～33，Ni：0.5～12.0，V：1.5～22.0，B：0.2～2.9，Pd余量。
17、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：2.0～33，Ni：0.5～12.0，V：1.5～22.0，Si：0.2～3.0，B：0.2～2.0，Pd余量。
18、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：3.0～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
19、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：4.0～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
20、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：5.5～22.0，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
21、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：1.5～4.6，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
22、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：4.7～7.8，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
23、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：7.9～14.8，Si：0.0～3.9，B：0.0～2.9，Pd余量。
24、根据权利要求1所述的用于氮化硅陶瓷及氮化硅陶瓷基复合材料钎焊的高温钎料，其特征在于：其成份及重量百分比组成为：Co：18.0～45.0，Au：0.0～33，Ni：0.0～12.0，V：14.9～22.0，Si：0.0～3.5，B：0.0～2.5，Pd余量。
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