CN103342575B - 超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法 - Google Patents

超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

一种超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，属于超硬材料与金属材料连接的技术领域，其特征在于是一种在高温金属Ta、Mo或Nb表面通过机械压力压制相应的金属粉体层，在电场激活作用下产生大量焦耳热，在合成AlMgB14-TiB2复合材料的同时实现与金属材料的扩散反应形成连接的方法，该方法的优点在于电场作用促使界面之间元素的相互扩散，有利于提高连接界面的强度。更为重要的是一步实现了超硬材料的合成及其与金属材料的连接，具有制备效率高和能源利用率高的特点。

Description

超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法
技术领域
本发明超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，属于异种材料连接的技术领域。具体涉及一种通过电场作用下进行的超硬材料与金属材料的反应扩散连接方法的技术方案。
背景技术
超硬材料是一种很重要的工程材料，由于其本身的局限性需要与金属材料连接构成复合材料，一般情况下超硬材料合成以后可以利用扩散焊和钎焊焊接技术实现与金属的连接，通过单层或多层陶瓷材料与金属材料间的连接形成复合层状连接界面，设置塑性好的材料作为过渡层减缓因材料物理性能差异而产生的连接残余应力。由于这些连接方法的工艺复杂，生成效率低下和连接强度低，限制了其应用范围。
发明内容
本发明超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，目的在于为了克服上述背景技术中的不足，公开一种在超硬材料铝镁硼-二硼化钛合成的同时同步实现与金属材料连接的方法，该方法通过电场激活压力辅助促进超硬材料的合成以及界面原子间的扩散连接，具有高效经济的特点。
本发明超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于是一种超硬材料AlMgB14-TiB2合成的同时同步实现了与金属材料的连接的方法，该方法是将被连接的金属材料作为金属基板，直接在高温金属基板表面压制相对应的混合粉体，通过电场作用使得AlMgB14-TiB2超硬材料烧结合成复合材料的同时与金属基板板材产生扩散，同时形成扩散层，实现复合材料与金属的连接，由金属基板到AlMgB14-TiB2超硬材料依次是金属基板--B元素的扩散层--TiB2富聚带--AlMgB14-TiB2超硬材料，其中B向金属基板的扩散剧烈，扩散厚度为120μm，TiB2富聚带宽度为70μm，连接界面的硬度呈梯度分布，其中金属基板的硬度为110HV0.2，B的扩散层的硬度为120HV0.2，TiB2富聚带硬度为2211HV1.0,，AlMgB14-TiB2超硬材料的硬度为3801HV1.0，具体操作步骤为：在上电极1和下电极2之间放置石墨模具5、压头3和压头4，将试样金属基板7以及金属基板上面压制的混合粉体8放于石墨模具中，再将石墨模具置于两石墨压头之间并施加轴向压力9，炉内真空抽至10-2~10-3Pa后，接通电源调节电流到预定值将试样加热到1200~1600℃，并保温10~40min，连接完成后将电流缓慢减小至零，试样随炉冷却至室温，试验过程中采取的工艺参数为：电流I=1000~1500A，通电时间t=20~40分钟，压力P=30~60MPa。
上述的超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的超硬材料AlMgB14-TiB2是由混合粉体燃烧反应形成的，混合粉体为Mg粉、Al粉和B粉按照原子百分比1:1:14的比例混合，TiB2粉作为添加剂，重量百分比为10~30%，各种粉体的颗粒尺寸为1~15μm，粉体烧结后形成AlMgB14-TiB2超硬材料。
上述的超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的反应扩散连接是在电场作用下，置于金属基板表面的压制混合粉体产生烧结反应，反应过程的化学方程式为：
Al+Mg+14B→AlMgB14+Q  
2B+Nb→NbB2+Q   
2B+Mo→MoB2+Q     
所加电场的电流密度为1000~1500A/cm2,制备过程中试样的温度相应为1200~1600℃。
上述的超硬材料AlMgB14-TiB2与金属的反应扩散连接方法，其特征在于上述的超硬材料为AlMgB14与TiB2的复合材料，被连接金属材料为Nb、Mo或Ta高温金属材料。
本发明超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法的优点在于，超硬材料AlMgB14-TiB2合成的同时同步实现了与金属材料的连接，在连接过程中B元素由于具有较小的原子半径，其扩散相对容易，有利于提高连接体的力学性能、层间的剪切强度。TiB2在连接界面富聚形成了硬度较AlMgB14-TiB2低的过渡层，有利于形成硬度的梯度分布，同时高温使结合界面产生局部熔化，形成元素互扩散和化合，在压力的辅助作用下形成层间固相连接。本发明提出的超硬材料AlMgB14-TiB2与金属的反应扩散连接方法，首次同步实现了超硬材料AlMgB14-TiB2的合成及其与金属的连接，其特点在于：
1.在金属基板压制相应的混合粉体，通过电场加热产生反应形成扩散反应连接，利用B元素原子半径小的特点促进界面扩散反应。
2.用本发明制备的超硬材料AlMgB14-TiB2与金属扩散界面的硬度为2278HV1.0，超硬材料AlMgB14-TiB2的硬度为3801HV1.0，硬度分布呈梯度分布。
3. TiB2在扩散界面富聚形成了硬度较AlMgB14-TiB2低的过渡层，可以缓解界面应力。
附图说明
图1表示陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法的原理图
1、上石墨电极   2、下石墨电极   3、上石墨压头   4下石墨压头   5、石墨模具   
6、直流电源   7、金属基板   8、混合粉体    9、轴向压力。
具体实施方式：
实施方式1: (AlMgB14-TiB2)-Nb连接结构
    Nb板厚度为3mm，混合粉体Mg粉、Al粉和B粉按原子百分比1:1:14混合，添加重量百分比为20%的TiB2粉体，将此混合粉体同Nb板通过机械压力压制成型。按图1所示方式将试样置于电极之间的石墨模具内，将电流升至1300A保持20min，使试样温度升至1400℃，调整电流保温10 min，最后关闭电源，试样随炉冷却至室温。整个过程炉内真空度约2×10-3Pa，施加单向压力30MPa，试样自然冷却后从模具中取出，超硬材料AlMgB14-TiB2的硬度为3801HV1.0 。
实施方式2：(AlMgB14-TiB2)-Mo连接结构
Mo板厚度为3mm，混合粉体Mg粉、Al粉和B粉按摩尔百分比1:1:14混合，添加30%的TiB2粉体，将此混合粉体同Mo板通过机械压力压制成型。按图1所示方式将试样置于电极之间的石墨模具内，将电流升至1500A保持20min，使试样温度升至1600℃，调整电流保温5 min，最后关闭电源，试样随炉冷却至室温。整个过程炉内真空度约2×10-3Pa，施加单向压力60MPa，试样自然冷却后从模具中取出，超硬材料AlMgB14-TiB2的硬度为3778HV1.0。

Claims (4)

1.超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于是一种超硬材料AlMgB14-TiB2合成的同时同步实现了与金属材料的连接的方法，该方法是将被连接的金属材料作为金属基板，直接在高温金属基板表面压制相对应的混合粉体，混合粉体为Mg粉、Al粉和B粉按照原子百分比1:1:14的比例混合，TiB2粉作为添加剂，重量百分比为10~30%，通过电场作用使得AlMgB14-TiB2超硬材料烧结合成复合材料的同时与金属基板板材产生扩散，同时形成扩散层，实现复合材料与金属的连接，由金属基板到AlMgB14-TiB2超硬材料依次是金属基板--B元素的扩散层--TiB2富聚带--AlMgB14-TiB2超硬材料，其中B向金属基板的扩散剧烈，扩散厚度为120μm，TiB2富聚带宽度为70μm，连接界面的硬度呈梯度分布，其中金属基板的硬度为110HV0.2，B的扩散层的硬度为120HV0.2，TiB2富聚带硬度为2211HV1.0，AlMgB14-TiB2超硬材料的硬度为3801HV1.0，具体操作步骤为：在上电极（1）和下电极（2）之间放置石墨模具（5）、上压头（3）和下压头（4），将试样金属基板（7）以及金属基板上面压制的混合粉体（8）放于石墨模具中，再将石墨模具置于两石墨压头之间并施加轴向压力（9），炉内真空抽至10-2~10-3Pa后，接通电源调节电流到预定值将试样加热到1200~1600℃，并保温10~40min，连接完成后将电流缓慢减小至零，试样随炉冷却至室温，试验过程中采取的工艺参数为：电流I=1000~1500A，通电时间t=20~40分钟，压力P=30~60MPa。
2.按照权利要求1所述的超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的超硬材料AlMgB14-TiB2是由混合粉体燃烧反应形成的，混合粉体为Mg粉、Al粉和B粉按照原子百分比为1:1:14的比例混合，TiB2粉作为添加剂，重量百分比为10~30%，粉体的颗粒尺寸为1~15μm，粉体烧结后形成AlMgB14-TiB2超硬材料。
3.按照权利要求1所述的超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于上述的超硬材料为AlMgB14与TiB2的复合材料，被连接金属材料为Nb、Mo或Ta高温金属材料。
4.按照权利要求1所述的超硬材料铝镁硼-二硼化钛与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的反应扩散连接是在电场作用下，置于金属基板表面的压制混合粉体产生烧结反应，混合粉体中的部分B元素扩散进入Nb金属基板或Mo金属基板基体中，反应过程的化学方程式为：
Al+Mg+14B→AlMgB14+Q
2B+Nb→NbB2+Q   
2B+Mo→MoB2+Q 
所加电场的电流密度为1000~1500A/cm2,制备过程中试样的温度相应为1200~1600℃。
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