CN102633518A - Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法 - Google Patents

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许祥平
严铿
高飞
刘欢
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Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及异种材料的连接，具是一种Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法。本发明的方法是：使用工业级钎料、纯金属中间层，在真空中连接；所述的工业级钎料为非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为30-45μm的工业级产品；所述的纯金属中间层为Ni箔，厚度为100-250μm的工业级产品。本发明能缓解陶瓷与钛合金接头残余应力，提高接头强度。

Description

Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及异种材料的连接，具是一种Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法。
背景技术
结构陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀等独特性能，但其脆性大、强度分散和加工困难等缺点，限制了它作为整体机构在工程中的应用。实现结构陶瓷与金属的连接，对扩展陶瓷的应用领域具有重要意义。
陶瓷与金属的连接主要是活性钎焊和扩散焊，此外还有部分瞬间液相连接和二次PTLP等新方法。由于陶瓷和金属的物理化学性能存在较大差异，特别是两种材料间的热膨胀系数差别较大，接头在冷却过程中由于收缩不均匀造成较大的残余应力，使连接强度大大降低。严重者自行开裂，甚至成为结构损坏的直接或间接原因，由于金相组织的变化以及新生成的物相结构或化合物，可使焊接接头的性能恶化，接头力学性能较差，特别是塑性和韧性明显下降。因此，实现陶瓷与金属之间的可靠连接是Si3N4陶瓷得以广泛工业应用的重要前提和保证。
活性钎料的研究与开发是发展陶瓷与金属/金属间化合物钎焊的一项重要内容。国内熊柏青、楚建新等研究表明添加中间层可有效控制残余热应力对Si3N4/金属钎焊接头性能的影响；翟阳、任家烈等使用非晶态合金作中间层扩散连接Si3N4与40Cr钢，但连接强度不高；何鹏、冯吉才等研究了Si3N4陶瓷与不锈钢材料扩散连接接头的残余应力的分布特征及中间层的作用，但接头强度较低。以上对Si3N4与金属的连接能有效减低接头残余应力，但均存在接头强度低而无法满足工程实际应用的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能缓解陶瓷与钛合金接头残余应力，提高接头强度的Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法。
本发明Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法是：使用工业级钎料、纯金属中间层，在真空中连接；所述的工业级钎料为非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为30-45μm的工业级产品；所述的纯金属中间层为Ni箔，厚度为100-250μm的工业级产品。
本发明的方法包括以下步骤：
a.准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷和钛合金试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔用金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗；
b.装配步骤：将经磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔、经磨平的Si3N4陶瓷和钛合金按S i 3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni、钛合金的顺序紧贴安装在夹具中；同时在结合面施加0.04-0.1MPa的压力；
c.连接阶段：将装配好的夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以15K/min的速率升温至1123K，保温30min；再以10K/min的速率升温至1323-1373K，保温30min；然后以6K/min的速率冷至873K；自然冷却至室温时开炉门取样。
步骤c中真空度小于10-3Pa。
所述钛合金为TA15工业级产品。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
(1)由于非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料对陶瓷表面的润湿性能好，可以用来钎焊连接陶瓷与Ni箔；而Ni箔在同样的连接温度下可以与与钛合金实现扩散连接，通过半钎焊和半扩散焊连接实现温度可靠的陶瓷与钛合金接头。
(2)本发明获得的陶瓷与钛合金接头同时采用了钎焊与扩散焊的方法，综合了两种方法的优点。
(3)由于本发明中采用的中间层材料中Ni箔没有完全熔化，起到了梯度作用，缓解了接头中存在的内应力，接头不会出现开裂现象，连接强度高；
(4)本发明工艺简单、实施方便、获得的Si3N4陶瓷与钛合金接头性能稳定可重复再现；
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明的方法作进一步详细说明。
实施例1：
选用工业级钎料非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为30μm的工业级产品；纯金属中间层选用Ni箔的纯度为99.8％以上，厚度为100μm的工业级产品。连接步骤如下：
1.准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷和钛合金试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔用5号金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
2.装配步骤：将经磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔、经磨平的Si3N4陶瓷和钛合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni、钛合金的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.06MPa的压力；
3.连接阶段：将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以15K/min的速率升温至1123K，保温30min；再以10K/min的速率升温至1333K，保温30min；然后以6K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa；自然冷却至室温时开炉门取样。
上述所述钛合金为TA15工业级产品。
本实施例获得的Si3N4与钛合金的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，接头室温四点弯曲强度为295MPa。
实施例2：
选用工业级钎料非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为45μm的工业级产品；纯金属中间层选用Ni箔的纯度为99.8％以上，厚度为250μm的工业级产品。连接步骤如下：
1.准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷和钛合金试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔用5号金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
2.装配步骤：将经磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔、经磨平的Si3N4陶瓷和钛合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni、钛合金的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.1MPa的压力；
3.连接阶段：将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以15K/min的速率升温至1123K，保温30min；再以10K/min的速率升温至1323K，保温30min；然后以6K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa；自然冷却至室温时开炉门取样。
上述所述钛合金为TA15工业级产品。
本实施例获得的Si3N4与钛合金的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，接头室温四点弯曲强度为305MPa。
实施例3：
选用工业级钎料非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为45μm的工业级产品；纯金属中间层选用Ni箔的纯度为99.8％以上，厚度为180μm的工业级产品。连接步骤如下：
1.准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷和钛合金试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔用5号金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
2.装配步骤：将经磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔、经磨平的Si3N4陶瓷和钛合金按S i 3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni、钛合金的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.04MPa的压力；
3.连接阶段：将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以15K/min的速率升温至1123K，保温30min；再以10K/min的速率升温至1373K，保温30min；然后以6K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa；自然冷却至室温时开炉门取样。
上述所述钛合金为TA15工业级产品。
本实施例获得的Si3N4与钛合金的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，接头室温四点弯曲强度为275MPa。

Claims (5)

1.一种Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法，其特征是：使用工业级钎料、纯金属中间层，在真空中连接。
2.根据权利要求1所述的Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法，其特征是：所述的工业级钎料为非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料，厚度为30-45μm的工业级产品；所述的纯金属中间层为Ni箔，厚度为100-250μm的工业级产品。
3.根据权利要求2所述的Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法，其特征是：该方法包括以下步骤
a.准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷和钛合金试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔用金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗；
b.装配步骤：将经磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni箔、经磨平的Si3N4陶瓷和钛合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Ni15钎料、Ni、钛合金的顺序紧贴安装在夹具中；同时在结合面施加0.04-0.1MPa的压力；
c.连接阶段：将装配好的夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以15K/min的速率升温至1123K，保温30min；再以10K/min的速率升温至1323-1373K，保温30min；然后以6K/min的速率冷至873K；自然冷却至室温时开炉门取样。
4.根据权利要求3所述的Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法，其特征是：步骤c中真空度小于10-3Pa。
5.根据权利要求3所述的Si3N4陶瓷与钛合金的连接方法，其特征是：所述钛合金为TA15工业级产品。
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