CN102924110A - SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,在该方法SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面均匀地加工出若干个开口槽,对应地单独加工出尺寸与上述开口槽相匹配的数量一致的镶嵌块,再将镶嵌块逐一装配到被焊SiO2f/SiO2复合陶瓷表层的开口槽内,在每个金属镶嵌块与开口槽之间的界面上,以及在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面上,均填充AgCu基活性钎料,并通过真空钎焊加热方式,实现较大尺寸SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料的有效连接。本发明还适合于较大尺寸的C/C复合材料、Cf/SiC复合材料、SiCf/SiC复合材料、Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、Sialon陶瓷与金属材料之间的连接。
Description
技术领域
本发明是一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,属于焊接技术领域。
背景技术
石英纤维增强石英复合陶瓷(SiO2f/SiO2)是一种很有应用前途的高温结构陶瓷基复合材料。但由于一些工程应用场合性能组合使用的特殊要求,需要将它与金属材料组成复合结构来应用。
SiO2f/SiO2复合陶瓷的连接一般适合钎焊或扩散焊方法,但直接进行SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属的连接是非常困难的,因为SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属两种被焊材料热膨胀系数差异非常大(前者约0.3×10-6K-1,后者一般约5.5~15×10-6K-1,即相差十几倍甚至几十倍),这样导致在高温钎焊或扩散焊连接之后的冷却过程中,在接头形成巨大的残余热应力,会直接导致接头从连接界面剥离而开裂,实际上就无法完成SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料的连接,因此在本领域需要采用合适的方法缓解钎焊或扩散焊连接后在连接接头形成的巨大残余热应力。论文(张丽霞,吴林志,田晓羽,何鹏,刘多,冯吉才.SiO2陶瓷与TC4钛合金的钎焊研究[J].材料工程,2008,(9):13-16;H.B.Liu,L.X.Zhang,L.Z.Wu,D.Liu,J.C.Feng.Vacuum brazing of SiO2 glass ceramic and Ti–6Al–4Valloy using AgCuTi filler foil.Materials Science and EngineeringA 498(2008)321–326;陈波,熊华平,毛唯,程耀永.SiO2f/SiO2复合材料自身及其与铜、不锈钢的钎焊.航空材料学报,2012,32(1):35-39.)虽然报道了SiO2陶瓷或SiO2f/SiO2复合陶瓷材料与金属钎焊连接的研究结果,但未给出具体的有效缓解接头焊后残余热应力的工艺方法。发明专利(发明人:熊华平,陈波,程耀永,李晓红,毛唯.一种用于SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的工艺方法,专利申请日:2010年08月31日,专利号:ZL 2010 1 0266686.0,授权公告日:2012年09月26日)提出先通过机械加工方法在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面开沟槽,再使用AgCu-Ti活性钎料置于SiO2f/SiO2复合陶瓷待焊表面的沟槽处,而且在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面上添加AgCu-Ti钎料,再通过真空钎焊加热方式,实现SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料的有效连接,这种方法对于小尺寸(钎缝的长度为毫米级或十几毫米级别)的试板是有效可行的,而对于较大尺寸(钎缝的长度尺寸为上百毫米级)的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料的钎焊连接,目前缺乏有效缓解接头焊后残余热应力的工艺方法。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其目的是能够有效地缓解钎焊或扩散焊连接后在连接接头形成的巨大残余热应力。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的:
本发明提出了一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,该方法包括在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面均匀地加工开口槽(1),在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面上,均填充AgCu基活性钎料,并进行真空钎焊,其特征在于:开口槽(1)在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面上呈贯通状,开口宽度为3.0mm~15.0mm,开口深度为3.0mm~15.0mm,相邻开口槽(1)之间的距离为5.0mm~15.0mm,开口槽(1)开口处的两侧壁(2)与被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面的夹角为60°~80°;
在进行真空钎焊前,在开口槽(1)内填充与开口槽(1)尺寸、截面形状相匹配的镶嵌块(3),镶嵌块(3)的周边与开口槽(1)内壁之间充填AgCu基活性钎料。
开口槽(1)的两侧壁(2)向开口槽(1)下方中心线平滑收窄,使开口槽(1)的下部呈近似的圆锥形或方形。
镶嵌块(3)的材料为以下几种材料之一:
与被焊的金属材料相同;
为热膨胀系数应介于被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的金属材料;
为Cu、Ni、Nb、Mo、Ti、Fe、W中的一种或以其中一种为主的合金;
为高强石墨、C/C复合材料、Al2O3陶瓷材料。
AgCu基活性钎料为AgCu-Ti活性钎料,其中Ti含量为1.4wt.%~6.0wt.%。
被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面为平面或曲面。AgCu基活性钎料的使用形式可以是粉状,也可以是箔带。
SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊进行真空钎焊的加热温度为820°C~910°C,真空度不低于3×10-2Pa,保温5~40分钟后,随炉冷却至室温。
本发明具有的优点和有益效果是:
本发明所述用于较大尺寸SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的工艺方法,通过在被焊SiO2f/SiO2复合陶瓷表面预加工出开口槽,单独加工出尺寸与这些开口槽相匹配的数量一致的镶嵌块,再通过AgCu基活性钎料将所有镶嵌块焊接到被焊SiO2f/SiO2复合陶瓷的开口槽内,同时实现SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的钎焊连接。通过这样的工艺使SiO2f/SiO2复合陶瓷的被焊表层形成宏观上由AgCu基活性金属焊料、金属镶嵌块和被焊的金属材料交替混合的复合材料层,这种交替混合的复合材料层总体热膨胀系数介于被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷和被焊的金属材料之间,使得从被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷,到这个复合材料中间过渡层,再到被焊的金属材料这个连接区域内热膨胀系数从小到大逐渐过渡,避免了直接从被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的巨大热膨胀系数差,从而大大减小了SiO2f/SiO2复合陶瓷直接与金属材料钎焊连接后形成的接头焊后残余热应力,从根本上能够避免较大尺寸SiO2f/SiO2复合陶瓷直接与金属材料连接后发生的开裂现象。
开口槽(1)开口处的两侧壁(2)与被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面的夹角为60°~80°,这样的工艺设计能起到一种锁扣作用,可以有效防止镶嵌块在焊接过程中因为变形被挤出到被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表层以外。
本发明相对于只在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面开窄槽然后通过AgCu-Ti活性钎料填充窄槽的发明专利技术(发明人:熊华平,陈波,程耀永,李晓红,毛唯.一种用于SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的工艺方法,专利申请日:2010年08月31日,专利号:ZL 201010266686.0,授权公告日:2012年09月26日)而言,还具有如下几项显著优点:一,可以大幅度减少开窄槽的数量,提高焊前装配的生产效率;二,本发明使用金属镶嵌块Cu、Ni、Nb、Mo、Ti、Fe、W或者热膨胀系数介于被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的其它镶嵌块材料,填入到开口槽中,这些镶嵌块材料的价格通常明显低于AgCu-Ti活性钎料,因而其成本可以相对于全部靠AgCu-Ti活性钎料填满所有的窄槽明显降低;三,由于本发明在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面加工出开口槽,槽宽和槽深的尺寸均明显增大,可以在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面形成一个更宽和更深的复合材料中间过渡层,因此适合于大尺寸的SiO2f/SiO2复合陶瓷组件与金属材料的焊接,大尺寸是指焊接长度为150mm~400mm的平直焊缝或直径150mm~400mm的环形焊缝的连接。
本发明方法也可以用于热膨胀系数更高的陶瓷材料,如Al2O3陶瓷,Si3N4陶瓷,SiC陶瓷,Sialon陶瓷与金属材料之间的焊接连接,也适合于C/C复合材料、Cf/SiC复合材料、Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、Sialon陶瓷与金属材料之间的焊接连接。
附图说明
图1为采用本发明技术方案的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料被焊表层连接的结构示意图
图2为采用本发明技术方案的另一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料被焊表层连接的结构示意图
图3为采用本发明技术方案的环形SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料被焊表层连接的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
实施例1
参见附图1~2所示,分别在焊前通过机械加工方法在SiO2f/SiO2复合陶瓷的被焊表面加工出贯通状的开口槽1,开口槽1的形状下部呈近似的圆锥形或方形,而且开口槽1的两侧壁2与被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面的夹角为60°~80°;开口槽(1)在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面上呈贯通状,开口槽(1)的开口宽度为3.0mm~15.0mm,开口深度为3.0mm~15.0mm,相邻开口槽(1)之间的距离为5.0mm~15.0mm;
接着,单独加工出尺寸与上述开口槽1截面形状相匹配的数量一致的镶嵌块3,镶嵌块3材料可以是金属Cu,或者Nb,或者Mo,或者Fe,或者Ti,或者W,或者分别以Cu、Ni、Nb、Mo、Fe、Ti、W之一为主的合金,还可以是被焊的金属材料;
再接着,将单独加工出的镶嵌块3清洗后吹干,再逐一装配到被焊SiO2f/SiO2复合陶瓷表层的开口槽1内,在每个金属镶嵌块3与开口槽1之间的界面上,以及在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料4之间的待焊界面上,均预填上经超声波清洗并吹干的AgCu-Ti活性钎料箔带,金属材料4为4J36合金、4J29合金、TZM合金、金属W、W合金、金属Nb、Nb合金、钛合金TC4、钛合金TC6、钛合金TC11、18-8不锈钢、GH783合金、GH3044合金或GH4169合金,AgCu-Ti活性钎料箔带中Ti的含量为1.4wt.%~6.0wt.%,厚度为50μm~150μm;
进行炉中真空钎焊,钎焊温度820°C~910°C,真空度不低于3×10-2Pa,保温5~40分钟后,随炉冷却至室温,即实现了焊缝长度200mm~400mm的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料的连接。
实施例2
参见附图3所示,分别在焊前通过机械加工方法在SiO2f/SiO2复合陶瓷的环形被焊表面加工出开口槽1,开口槽1的形状下部呈近似的圆锥形,而且开口槽1的两侧壁2与被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面的夹角为60°~80°;开口槽(1)在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面上呈贯通状,开口槽(1)的开口宽度为3.0mm~15.0mm,开口深度为3.0mm~15.0mm,相邻开口槽(1)之间的距离为5.0mm~15.0mm;
接着,单独加工出尺寸与上述开口槽1截面形状相匹配的数量一致的镶嵌块3,镶嵌块3材料可以是金属Cu,或者Nb,或者Mo,或者Fe,或者Ti,或者W,或者分别以Cu、Ni、Nb、Mo、Fe、Ti、W之一为主的合金,还可以是被焊的金属材料;
再接着,将单独加工出的镶嵌块3清洗后吹干,再逐一装配到被焊SiO2f/SiO2复合陶瓷表层的开口槽1内,在每个金属镶嵌块3与开口槽1之间的界面上,以及在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料4之间的待焊环形界面上,均预填上经超声波清洗并吹干的AgCu-Ti活性钎料箔带,金属材料4为4J36合金、4J29合金、TZM合金、金属W、W合金、金属Nb、Nb合金、钛合金TC4、钛合金TC6、钛合金TC11、18-8不锈钢、GH783合金、GH3044合金或GH4169合金,AgCu-Ti活性钎料箔带中Ti的含量为1.4wt.%~6.0wt.%,厚度为50μm~150μm;
进行炉中真空钎焊,钎焊温度820°C~910°C,真空度不低于3×10-2Pa,保温5~40分钟后,随炉冷却至室温,即实现了直径150mm~400mm的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料环形件的连接。
上述3个实施例获得的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊接头实物经实际功能考核与试验,接头都可以承受高达300°C的高温作用,而且,连接接头经历从-20°C到300°C的温度冲击连接接头完好,加热到300°C后遇水不破裂。
Claims (8)
1.一种SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,该方法包括在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面均匀地加工开口槽(1),在被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面上,均填充AgCu基活性钎料,并进行真空钎焊,其特征在于:开口槽(1)在SiO2f/SiO2复合陶瓷的待焊表面上呈贯通状,开口宽度为3.0mm~15.0mm,开口深度为3.0mm~15.0mm,相邻开口槽(1)之间的距离为5.0mm~15.0mm,开口槽(1)开口处的两侧壁(2)与被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷表面的夹角为60°~80°;
在进行真空钎焊前,在开口槽(1)内填充与开口槽(1)尺寸、截面形状相匹配的镶嵌块(3),镶嵌块(3)的周边与开口槽(1)内壁之间充填AgCu基活性钎料。
2.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:开口槽(1)的两侧壁(2)向开口槽(1)下方中心线平滑收窄,使开口槽(1)的下部呈近似的圆锥形或方形。
3.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:镶嵌块(3)的材料与被焊的金属材料相同。
4.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:镶嵌块(3)的材料为热膨胀系数应介于被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的金属材料。
5.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:镶嵌块(3)的材料为Cu、Ni、Nb、Mo、Ti、Fe、W中的一种或以其中一种为主的合金。
6.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:镶嵌块(3)的材料为高强石墨、C/C复合材料、Al2O3陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:AgCu基活性钎料为AgCu-Ti活性钎料,其中Ti含量为1.4wt.%~6.0wt.%。
8.根据权利要求1所述的SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的方法,其特征在于:被焊的SiO2f/SiO2复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面为平面或曲面。
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