CN103274715B - 一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，它涉及一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的连接方法。本发明是要解决传统陶瓷连接方法中接头残余应力大、强度低、耐热性能不足和连接温度高的问题。方法：一、表面清理；二、预置活性金属层；三、真空扩散连接；即完成基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接。本发明在活性金属Ti层厚度4μm，连接压力20MPa，连接温度1400℃，连接时间60min的工艺参数下，实现了间隙ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接，接头剪切强度为200MPa，和传统陶瓷连接方法相比提高了近2倍。本发明可用于间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的连接方法。
背景技术
随着航天、军事等高技术领域的不断进步，使用温度超过2000℃的超高温陶瓷正逐渐受到人们的重视，超高温陶瓷应用环境温度的提高也同时对连接接头的耐热性提出了更高的要求。目前连接陶瓷的方式较多，如活性钎焊法，固相扩散连接以及瞬时液相连接法等，虽然这几种方法可以成功实现陶瓷在较低温条件下的连接，但是仍然存在以下两方面的问题未解决。首先，无论是在陶瓷连接接头引入金属中间层还是低熔点的玻璃中间层，均会在陶瓷母材之间产生异质相，容易在连接过程中由于异质相与陶瓷母材的物性不匹配而形成高残余应力，造成连接强度的降低，连接接头的剪切强度一般为80MPa～140MPa。另一个问题是连接接头的耐热性，由于陶瓷连接涉及的常用金属中间层材料的熔点一般相对较低，因此其形成的接头使用温度有限，另外，当采用玻璃陶瓷作为中间层时，由于玻璃相在高温环境下(高于800℃)同样存在接头软化的问题，所以，接头的高温性能一般也较差。
因此，缓解陶瓷母材与连接中间层的热应力以及提高连接接头的耐热性能是陶瓷连接的关键，尤其对于超高温陶瓷材料来说连接接头的耐热性对于其长期可靠应用至关重要。
发明内容
本发明是要解决传统陶瓷连接方法中接头残余应力大、强度低、耐热性能不足和连接温度高的问题，而提供一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法。
本发明一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min～15min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为1μm～5μm的活性金属层，得到两个带活性金属层的陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的厚度为1μm～5μm的活性金属层中的活性金属为Ti、Zr、Nb、V或Ta；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为5min/℃～10min/℃的条件下从室温加热至900℃～1500℃，并在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为900℃～1500℃的条件下保温30min～180min，然后以降温速率为2min/℃～5min/℃冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接。
本发明的优点：一、本发明通过在陶瓷连接界面引入过渡族活性金属中间层与母材反应，由于中间层在连接过程中的活性反应形成高熔点碳化物或氮化物，无金属相残留，因此可实现提高接头使用温度的目的；由于新生碳化物或氮化物与母材基体间的相互扩散与完全固溶，使得接头与母材碳化物或氮化物的成分接近，可充分缓解异种接头热应力并提高接头的强度；二、本发明由于采用低熔点活性金属作为中间层连接材料，相比陶瓷母材直接扩散连接增加了界面反应扩散能力，使得连接温度大幅降低500℃～1000℃，提高了效率，节省了能源；三、在活性金属Ti层厚度4μm，连接压力20MPa，连接温度1400℃，连接时间60min的工艺参数下，实现了间隙ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接，接头剪切强度为200MPa，和传统陶瓷连接方法相比提高了近2倍；四、与传统陶瓷连接方法相比，本发明解决了陶瓷连接中接头残余应力大、强度低、耐热性能不足、连接温度高等问题，能够在低温条件下，实现间隙碳化物或氮化物陶瓷的低应力、耐高温、高可靠、高效率的连接。
附图说明
图1为试验二基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接接头的SEM图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min～15min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为1μm～5μm的活性金属层，得到两个带活性金属层的陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的厚度为1μm～5μm的活性金属层中的活性金属为Ti、Zr、Nb、V或Ta；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为5min/℃～10min/℃的条件下从室温加热至900℃～1500℃，并在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为900℃～1500℃的条件下保温30min～180min，然后以降温速率为2min/℃～5min/℃冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接。
本实施方式中所述的间隙碳化物或氮化物陶瓷是指元素周期表第IV及第V过渡族金属元素与碳或氮复合而形成的一类碳化物或碳化物材料，该类化合物属NaCl结构，其最突出的特点就是熔点高，熔点几乎均在3000℃以上，被认为是熔点最高的一类陶瓷材料。
本实施方式通过在陶瓷连接界面引入过渡族活性金属中间层与母材反应，由于中间层在连接过程中的活性反应形成高熔点碳化物或氮化物，无金属相残留，因此可实现提高接头使用温度的目的；由于新生碳化物或氮化物与母材基体间的相互扩散与完全固溶，使得接头与母材碳化物或氮化物的成分接近，可充分缓解异种接头热应力并提高接头的强度。
本实施方式由于采用低熔点活性金属作为中间层连接材料，相比陶瓷母材直接扩散连接增加了界面反应扩散能力，使得连接温度大幅降低500℃～1000℃，提高了效率，节省了能源。
本实施方式在活性金属Ti层厚度4μm，连接压力20MPa，连接温度1400℃，连接时间60min的工艺参数下，实现了间隙ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接，接头剪切强度为200MPa，和传统陶瓷连接方法相比提高了近2倍。
本实施方式与传统陶瓷连接方法相比，本发明解决了陶瓷连接中接头残余应力大、强度低、耐热性能不足、连接温度高等问题，能够在低温条件下，实现间隙碳化物或氮化物陶瓷的低应力、耐高温、高可靠、高效率的连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的MCx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx/MNx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MCx/MCx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx/MCx复相陶瓷中，MNx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95，MCx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的水磨砂纸为碳化硅水磨砂纸或氧化铝水磨砂纸。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，即得到带活性金属层的陶瓷母材。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式是通过控制溅射时间来决定镀层的厚度。
本实施方式溅射2μm厚的Ti膜需要的时间为6500s＝108.3min。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的电子蒸镀具体操作过程如下：将蒸渡材料Ti和步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材准备好后，检查净化室的空调系统以及仪器室的湿度，确认正常后，在仪器操作主菜单上选择自动程序，将蒸渡材料Ti放进蒸渡炉，将两个表面清理后的陶瓷母材装进真空腔后，开始抽真空，达到1×10-4pa的真空度后，开启电子束高压电源，运行编写好的程序，直至程序运行结束，镀膜完成，即得到带活性金属层的陶瓷母材。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为5min/℃～10min/℃的条件下从室温加热至1000℃～1500℃，并在连接压力为20MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为1000℃～1500℃的条件下保温60min～180min，然后以降温速率为2min/℃～5min/℃冷却至100℃，最后随炉冷却至室温。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度900℃，并在连接压力为20MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为900℃的条件下保温30min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温。其它与具体实施方式一至六之一相同。
采用下述试验验证本发明的效果：
试验一：一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#、800#、1000#和1500#金刚石磨盘对两个待连接的ZrC0.95陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#和2000#水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的ZrC0.95陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术在步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材表面预置厚度为4μm的活性金属Ti层，得到两个带活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材清洗镀层表面5min，吹干后得到两个待连接试样；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属Ti层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度1500℃，并在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和温度为1500℃的条件下保温90min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接。
本试验步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，溅射时间为13000s，即得到带4μm活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材。
通过检测本试验基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接接头，接头剪切强度为223MPa。
试验二：一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#、800#、1000#和1500#金刚石磨盘对两个待连接的ZrC0.95陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#和2000#水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的ZrC0.95陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术在步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材表面预置厚度为4μm的活性金属Ti层，得到两个带活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材清洗镀层表面5min，吹干后得到两个待连接试样；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属Ti层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度1400℃，并在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和温度为1400℃的条件下保温60min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接。
本试验步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的ZrC0.95陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，溅射时间为13000s，即得到带4μm活性金属Ti层的ZrC0.95陶瓷母材。
通过检测本试验基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接接头，接头剪切强度为200MPa。
图1为本试验基于高温应用的ZrC0.95陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.95陶瓷的活性扩散连接接头的SEM图，从图1中可以看出，中间活性金属Ti层已经完全和母材ZrC0.95完全碳化固溶，形成的(Zr，Ti)Cx，固溶区达7μm，无金属相残留，形成了和母材成分相近的连接接头。
试验三：一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#、800#、1000#和1500#金刚石磨盘对两个待连接的ZrC0.6陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#和2000#水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的ZrC0.6陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的ZrC0.6陶瓷母材；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术在步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.6陶瓷母材表面预置厚度为5μm的活性金属Nb层，得到两个带活性金属Nb层的ZrC0.6陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属Nb层的ZrC0.6陶瓷母材清洗镀层表面5min，吹干后得到两个待连接试样；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属Nb层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度1400℃，并在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和温度为1400℃的条件下保温120min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的ZrC0.6陶瓷的低温活性扩散连接。
本试验步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.6陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的ZrC0.6陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，溅射时间为16250s，即得到带5μm活性金属Nb层的ZrC0.6陶瓷母材。
通过检测本试验基于高温应用的ZrC0.6陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.6陶瓷的活性扩散连接接头，接头剪切强度为203MPa。
试验四：一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#、800#、1000#和1500#金刚石磨盘对两个待连接的HfN0.9陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#和2000#水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的HfN0.9陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的HfN0.9陶瓷母材；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术在步骤一得到的两个表面清理后的HfN0.9陶瓷母材表面预置厚度为4μm的活性金属Ti层，得到两个带活性金属Ti层的HfN0.9陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属Ti层的HfN0.9陶瓷母材清洗镀层表面5min，吹干后得到两个待连接试样；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属Ti层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度1400℃，并在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和温度为1400℃的条件下保温90min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的HfN0.9陶瓷的低温活性扩散连接。
本试验步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的HfN0.9陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的HfN0.9陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，溅射时间为13000s，即得到带4μm活性金属Ti层的HfN0.9陶瓷母材。
通过检测本试验基于高温应用的HfN0.9陶瓷的低温活性扩散连接获得的HfN0.9陶瓷的活性扩散连接接头，接头剪切强度为219MPa。
试验五：一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#、800#、1000#和1500#金刚石磨盘对两个待连接的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#和2000#水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术在步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材表面预置厚度为3μm的活性金属Ti层，得到两个带活性金属Ti层的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属Ti层的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材清洗镀层表面5min，吹干后得到两个待连接试样；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属Ti层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和升温速率为10min/℃的条件下从室温加热至700℃，然后保温20min，接着以升温速率为5℃/min升温至连接温度1500℃，并在连接压力为20MPa、真空度为1.3×10-4Pa和温度为1500℃的条件下保温60min，再以5℃/min的速度冷降至400℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷的低温活性扩散连接。
本试验步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，溅射时间为9750s，即得到带3μm活性金属Ti层的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷母材。通过检测本试验基于高温应用的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷的低温活性扩散连接获得的ZrC0.95/HfN0.95陶瓷的活性扩散连接接头，接头剪切强度为197MPa。
Claims (6)
1.一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法是按以下步骤进行：
一、表面清理：首先采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，经频率为88Hz的超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，经频率为88Hz的超声波清洗10min～15min，最后置于干燥箱内，于100℃温度下干燥10h，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；
二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为1μm～5μm的活性金属层，得到两个带活性金属层的陶瓷母材，然后依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个带活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的厚度为1μm～5μm的活性金属层中的活性金属为Ti、Zr、Nb、V或Ta；
三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为5℃/min～10℃/min的条件下从室温加热至900℃～1500℃，并在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为900℃～1500℃的条件下保温30min～180min，然后以降温速率为2℃/min～5℃/min冷却至100℃，最后随炉冷却至室温，即完成基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的MCx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx/MNx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MCx/MCx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95；步骤一中所述的MNx/MCx复相陶瓷中，MNx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95，MCx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤0.95。
3.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的水磨砂纸为碳化硅水磨砂纸或氧化铝水磨砂纸。
4.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的磁控溅射技术具体操作过程如下：将步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材放进磁控溅射设备真空炉中，对准溅射源后开始抽真空，当真空度达到5.6E-6mbar时，采用离子束轰击依次对两个表面清理后的陶瓷母材和设备溅射靶进行清洗，随后，在等离子体的条件下，开始溅射，溅射速率为2nm/65s，即得到带活性金属层的陶瓷母材。
5.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的电子蒸镀具体操作过程如下：将蒸镀材料Ti和步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材准备好后，检查净化室的空调系统以及仪器室的湿度，确认正常后，在仪器操作主菜单上选择自动程序，将蒸镀材料Ti放进蒸渡炉，将两个表面清理后的陶瓷母材装进真空腔后，开始抽真空，达到1×10-4Pa的真空度后，开启电子束高压电源，运行编写好的程序，直至程序运行结束，镀膜完成，即得到带活性金属层的陶瓷母材。
6.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的低温活性扩散连接方法，其特征在于步骤三中将步骤二得到的两个待连接试样的带活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为20MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和升温速率为5℃/min～10℃/min的条件下从室温加热至1000℃～1500℃，并在连接压力为20MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa和温度为1000℃～1500℃的条件下保温60min～180min，然后以降温速率为2℃/min～5℃/min冷却至100℃，最后随炉冷却至室温。
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