CN103724044A - 一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于通过在两部件之间电镀镍同步实现了金属与陶瓷部件的一体化连接，具有能耗低、连接强度高、密封性能好、可靠度高的特点。电镀连接之前，将待连接部件不需要电镀的部分(即金属部件与SiC陶瓷部件连接以外的部分)用绝缘胶布粘覆，阻止其与电镀液的接触。然后，将金属部件以套孔的方式套在陶瓷基部件外围，留出合适的轴向长度和周围空隙，放入电镀镍溶液中，电镀得到镍晶粒在部件之间的预留空隙密实填充并致密化的金属陶瓷一体化的连接件。

Description

一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法
技术领域
本发明涉及一种异种材料的连接方法，特别是涉及一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法。
背景技术
航空飞行器动力系统要求其推力室(导弹发动机推力室、卫星姿态、轨道控制推力室、远程导弹战斗部末修姿发动机推力室等)具备质量轻、响应快、尺寸小、可靠性高等特点。该类推力室由喷管(身部)和推进剂喷注器(头部)密封连接构成。碳化硅陶瓷基复合材料在2500℃条件下不熔化，在1000～1650℃范围内抗氧化性能优越，耐各种酸碱的腐蚀，不仅具有很高的化学稳定性，而且具有良好的力学性能，尤其具有优异的高温性能(高温强度、抗蠕变性能等)，是理想的航空飞行器推力室喷管材料。传统的陶瓷基复合材料喷管与金属头部的连接采用机械密封，该连接方法不仅结构复杂、推力室重量增加，而且还存在密封性能差、可靠性低、比冲下降等缺点。
近年来发展起来的一类陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法是利用扩散焊和钎焊焊接技术，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，工效低和连接强度低，限制了其应用范围。
公开号为102643104A的中国发明专利提供了一种二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，主要解决现有二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的活性钎焊接头强度低的问题。使用该方法得到的扩散焊接头剪切强度为176.5MPa～208.1MPa，比采用钎焊法的连接接头剪切强度提高了76％～197％。但是，仍然存在焊接工艺过程复杂、功效低的问题。
公开号为103183520A的中国发明专利涉及一种碳/碳复合材料和镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法。本发明采用部分瞬间液相连接法，以软金属Ti箔、Ni箔、Cu箔等箔片作为中间层，放在干净的碳/碳复合材料和镍基高温合金之间形成夹心结构，然后将该结构置于真空热压炉中，利用部分液相扩散法对碳/碳复合材料和镍基高温合金进行连接。使用该方法能得到致密的连接界面，有效缓解热应力，提高接头的剪切性能。但也存在连接结构成分复杂，可靠度降低的问题。
随着新材料和新结构的涌现，金属材料与非金属复合材料的综合应用得到很大发展，相应的金属材料与非金属复合材料间的连接成为发展中的一个关键环节。在很多工程领域，已经对金属材料和非金属复合材料的连接提出了迫切要求。
发明内容
本发明旨在解决SiC陶瓷基复合材料喷管与头部金属喷注器难以连接的技术问题，提供一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法。
一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于通过电镀连接的方式实现金属部件与SiC陶瓷部件的一体化，缓解了金属与陶瓷之间的失配问题，在电流作用下促使界面之间元素的相互扩散，有利于界面强度的提高。此方法通过在两部件之间电镀镍同步实现了金属与陶瓷的连接，具有能耗低、连接强度高、密封性能好、可靠度高的特点。
本发明的技术路线总体概括为：将待连接部件不需要电镀的部分(即金属部件与SiC陶瓷部件连接以外的部分)用绝缘胶布粘覆，阻止其与电镀液的接触。然后固定好金属部件与SiC陶瓷部件的重叠位置，在两部件连接部位之间留出预留空隙。接着，将固定好的两待连部件放入镀镍溶液中，以其为待镀基底和阴极，接通电源，镍晶粒在两部件未贴绝缘胶布的裸露处(即组成预留空隙的两部件内壁)开始吸附、生长，随着电镀时间的延长，部件之间的预留空隙逐渐被镍晶粒密实填充并致密化，最终实现两部件一体化的电镀连接。
一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于实现电镀连接的连接物质为金属镍。在电镀连接之前，可在陶瓷基复合材料电镀部分设置一体化法兰，也可在金属部件电镀部分加工卡口、槽或法兰，提高金属部件与陶瓷基复合材料部件之间的机械拉拔强度。
一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
(1)镀前处理：将待镀部件放入超声清洗器中清洗去油，然后待连接部件重叠部分以外的地方贴上绝缘胶布，包括两部件非连接的内孔、外围和端面；
(2)固定两部件连接位置：将金属部件以套孔的方式套在陶瓷基部件外围，轴向重叠长度为2～10mm，周向连接方向留出0.5～1.5mm的预留空间孔隙，放入电镀镍溶液中，镀液液面以淹没待连接部位为准；
(3)两部件一体化电镀连接：以固定好的连接部件为待镀基底和阴极，环形镍柱为阳极，接通电源，镍晶粒在两部件未贴绝缘胶布的裸露处(即组成预留空隙的两部件内壁)开始吸附、生长，随着电镀时间的延长，部件之间的预留空隙逐渐被镍晶粒密实填充并致密化，最终获得两部件一体化的电镀连接件。
本发明的主要优点是：①该方法缓解了金属与陶瓷之间的失配问题，在电流作用下促使界面之间元素的相互扩散，有利于界面强度的提高；②通过在两部件之间电镀镍同步实现了金属与陶瓷的连接，具有能耗低、连接强度高、密封性能好、可靠度高的特点；③该连接方法既能利用镍晶粒与部件原子之间的结合力提高连接强度，镀层整体又能设计成卡、槽或法兰结构提高拉拔强度，大幅度提高了整体连接件的气密性和安全性；④采用电镀的连接方法，工艺简单，操作简便，成本低廉。
附图说明
图1为一种金属与SiC陶瓷基复合材料的电镀连接过程示意图。
图示(a)中：10为加工有卡口的金属部件；20为SiC陶瓷基复合材料部件。
图示(b)中：11为金属部件；12为密实填充预留空隙的镀镍沉积层；13为SiC陶瓷基复合材料部件。
图2为一种金属与SiC陶瓷基复合材料的电镀连接方法示意图。
图示21为加工有槽的金属部件；22为密实填充预留空隙的镀镍沉积层；23为SiC陶瓷基复合材料部件。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
(1)镀前处理：将待镀部件放入超声清洗器中清洗去油，然后待连接部件重叠部分以外的地方贴上绝缘胶布，包括两部件非连接的内孔、外围和端面；
(2)固定两部件连接位置：将金属部件以套孔的方式套在陶瓷基部件外围，轴向重叠长度为7mm，周向连接方向留出0.5mm的预留空间孔隙，放入电镀镍溶液中，镀液液面以淹没待连接部位为准；
(3)两部件一体化电镀连接：以固定好的连接部件为待镀基底和阴极，环形镍柱为阳极，接通电源，镍晶粒在两部件未贴绝缘胶布的裸露处(即组成预留空隙的两部件内壁)开始吸附、生长，随着电镀时间的延长，部件之间的预留空隙逐渐被镍晶粒密实填充并致密化，最终获得两部件一体化的电镀连接件。
上述连接方法在两部件之间电镀镍同步实现了金属与陶瓷的连接，缓解了金属与陶瓷之间的失配问题，在电流作用下促使界面之间元素的相互扩散，有利于界面强度的提高，具有能耗低、连接强度高、密封性能好、可靠度高的特点。
实施例2
(1)镀前处理：将待镀部件放入超声清洗器中清洗去油，然后待连接部件重叠部分以外的地方贴上绝缘胶布，包括两部件非连接的内孔、外围和端面；
(2)固定两部件连接位置：将金属部件以套孔的方式套在陶瓷基部件外围，轴向重叠长度为10mm，周向连接方向留出1.5mm的预留空间孔隙，放入电镀镍溶液中，镀液液面以淹没待连接部位为准；
(3)两部件一体化电镀连接：以固定好的连接部件为待镀基底和阴极，环形镍柱为阳极，接通电源，镍晶粒在两部件未贴绝缘胶布的裸露处(即组成预留空隙的两部件内壁)开始吸附、生长，随着电镀时间的延长，部件之间的预留空隙逐渐被镍晶粒密实填充并致密化，最终获得两部件一体化的电镀连接件。
上述连接方法在两部件之间电镀镍同步实现了金属与陶瓷的连接，缓解了金属与陶瓷之间的失配问题，在电流作用下促使界面之间元素的相互扩散，有利于界面强度的提高，具有能耗低、连接强度高、密封性能好、可靠度高的特点。
上述仅为本发明两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种金属与SiC陶瓷基复合材料的连接方法，其特征在于通过电镀连接的方式实现金属部件与SiC陶瓷部件的一体化。
2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于实现电镀连接的物质为金属镍。
3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于电镀连接之前，将待连接部件不需要电镀的部分用绝缘胶布粘覆，阻止其与电镀液的接触。
4.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于可在陶瓷基复合材料电镀部分设置一体化法兰，也可在金属部件电镀部分加工卡口、槽或法兰，提高金属部件与陶瓷基复合材料部件之间的机械拉拔强度。
5.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
(1)镀前处理：将待镀部件放入超声清洗器中清洗去油，然后待连接部件重叠部分以外的地方贴上绝缘胶布，包括两部件非连接的内孔、外围和端面；
(2)固定两部件连接位置：将金属部件以套孔的方式套在陶瓷基部件外围，留出合适的轴向长度和周围空隙，然后放入电镀镍溶液中，镀液液面以淹没待连接部位为准；
(3)两部件一体化电镀连接：以固定好的连接部件为待镀基底和阴极，环形镍柱为阳极，接通电源，镍晶粒在两部件未贴绝缘胶布的裸露处(即组成预留空隙的两部件内壁)开始吸附、生长，随着电镀时间的延长，部件之间的预留空隙逐渐被镍晶粒密实填充并致密化，最终获得两部件一体化的电镀连接件。
6.根据权利要求5所述的连接方法，其特征在于固定连接位置时，两部件轴向重叠长度为2～10mm，周向外围预留空隙为0.5～1.5mm。
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