CN104744061A - 一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，本发明涉及一种结构陶瓷及其复合材料连接的方法，它为了解决现有结构陶瓷及其复合材料连接过程中接头中陶瓷与中间层合金的高应力导致连接强度较低的问题。连接方法：一、配制含有硼粉的电泳液；二、打磨清洗Ti箔、铜片和待焊陶瓷；三、在Ti箔上电泳沉积硼粉；四、对待焊件进行夹装，待焊件置于真空钎焊炉中进行扩散焊，然后降温至室温，完成连接。本发明采用电泳沉积辅助的方法，实现接头中原位自生TiB晶须，形成复合连接接头，缓解了陶瓷与钎料合金间由于热膨胀差异导致的高应力，其中ZrB₂基复合陶瓷接头的抗剪强度达到120～170MPa。

Description

一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法

技术领域

本发明涉及一种结构陶瓷及其复合陶瓷材料连接的方法。

背景技术

结构陶瓷及其复合材料由于其高熔点、高导热、低密度、耐腐蚀以及良好的高温抗氧化性能在新型天地往返飞行器、高超声速飞行器和火箭推进系统等领域具有广阔的应用前景。然而陶瓷固有的自扩散系数低难烧结，硬脆性大难加工的特点使得制备大尺寸或复杂结构的复合陶瓷非常困难，这严重限制了其在多场合的实际应用。

陶瓷自身连接过程中由于陶瓷与填充金属二者热膨胀系数、弹性模量等性能差异，焊后陶瓷与填充金属连接界面存在着极高的残余热应力，导致焊接接头强度低甚至无法实现有效连接。因此获得高质量陶瓷连接接头的关键在于如何减缓在连接过程中由于陶瓷与填充金属因物理性质不同而产生的热残余应力，避免接头裂纹产生，提高连接强度。

专利号ZL201010215105.0，名称为“一种原位自生TiB晶须提高陶瓷钎焊接头强度的方法”，通过在活性钎料中引入B元素(B粉或TiB₂粉体)，在Al₂O₃与TC4连接接头中原位形成TiB晶须增强的复合接头，这种方法中钎料与硼粉混合容易团聚，且形成的TiB晶须在接头中容易产生偏聚，对接头组织产生不利影响。

专利号：ZL201110323598.4，名称为“提高ZrB₂基材料的钎焊连接强度的方法”中记载了针对ZrB₂基复合陶瓷的钎焊方法缓解了连接界面的应力，但由于无法在钎料合金内部获得TiB晶须，钎焊接头中应力集中较严重。

ZrB₂基复合陶瓷的扩散连接方法有发明专利号：ZL201210149336.5，名称为“二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法”中公开了采用泡沫镍作中间层实现ZrB₂基复合陶瓷的扩散连接方法，通过多孔中间层较高的强度和塑性变形能力吸收中间层与陶瓷间的高应力，这种方法获得的接头孔隙较多，在扩散压力的作用下孔隙难控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有结构陶瓷及其复合材料连接过程中接头中陶瓷与中间层合金的高应力导致连接强度较低的问题，而提供一种缓解结构陶瓷及其复合材料自身连接应力的方法。

本发明缓解结构陶瓷及其复合材料自身连接应力的方法按以下步骤实现：

一、将硼粉和碘球混合到丙酮中，超声分散均匀得到含硼的电泳液；

二、打磨Ti箔、铜片和待焊陶瓷，将打磨后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷放入丙酮中进行超声清洗，得到清洗后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷；

三、采用直流电源，将清洗后的Ti箔和铜片平行插入含硼的电泳液中，正极接入清洗后的铜片，负极接入清洗后的Ti箔片，通电后得到沉积有硼粉的Ti箔；

四、将多片沉积有硼粉的Ti箔叠层夹在清洗后的待焊陶瓷待焊面之间，得到待焊件，然后对待焊件进行夹装，在真空条件下，以10～20℃/min的速度，升温到1100～1200℃，保温40～80min，再以5～10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，完成结构陶瓷及其复合材料自身连接。

本发明实现了结构陶瓷及其复合材料自身的扩散连接，采用电泳沉积辅助的方法，实现接头中原位自生TiB晶须，缓解了接头中陶瓷与钎料合金之间的热应力，将结构陶瓷及其复合材料自身连接在一起，工艺过程简单。升温过程中，Ti与B生成TiB₂，随着温度进一步升高，TiB₂转化为TiB晶须，并随保温时间的延长，晶须向接头中弥散，由层状向弥散分布转变，形成良好的冶金结合，获得较高的连接强度，其中对于ZrB₂基复合陶瓷接头的抗剪强度达到120～170MPa。

附图说明

图1为实施例三得到的ZrB₂基复合陶瓷自身连接接头处的微观组织结构图，箭头处为TiB晶须。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式缓解结构陶瓷及其复合材料自身连接应力的方法按以下步骤实现：

一、将硼粉和碘球混合到丙酮中，超声分散均匀得到含硼的电泳液；

二、打磨Ti箔、铜片和待焊陶瓷，将打磨后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷放入丙酮中进行超声清洗，得到清洗后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷；

三、采用直流电源，将清洗后的Ti箔和铜片平行插入含硼的电泳液中，正极接入清洗后的铜片，负极接入清洗后的Ti箔片，通电后得到沉积有硼粉的Ti箔；

四、将多片沉积有硼粉的Ti箔叠层夹在清洗后的待焊陶瓷待焊面之间，得到待焊件，然后对待焊件进行夹装，在真空条件下，以10～20℃/min的速度，升温到1100～1200℃，保温40～80min，再以5～10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，完成结构陶瓷及其复合材料自身连接。

本实施方式采用电泳辅助的方法在接头中定向引入硼源，使得接头在焊接过程中原位自生TiB晶须，形成的复合接头热膨胀系数与陶瓷之间差异缩小，缓解了结构陶瓷及其复合材料与Ti中间层由于热膨胀系数的差异导致的高应力问题，同时一定数量的TiB晶须对接头起到了增韧的作用。本发明工艺过程简单，效率高，可在较低的连接温度和较短的连接时间下，获得较高的连接强度。

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所述硼粉的粒径为2μm。其它步骤及参数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二使用金相砂纸将Ti箔和铜片打磨至600#。其它步骤及参数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待焊陶瓷依次使用800#，1000#，1500#的金刚石磨盘逐级打磨。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

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三调节电压为15～25V，控制铜片与Ti箔的电极间距为25～30mm，通电时间为2～10min。其它步骤及参数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沉积有硼粉的Ti箔的厚度为10～50μm。其它步骤及参数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二所述的待焊陶瓷为Al₂O₃陶瓷，ZrB₂-SiC陶瓷，Si₃N₄陶瓷或SiC陶瓷。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四将2～6片沉积有硼粉的Ti箔叠层夹在清洗后的待焊陶瓷待焊面之间，得到待焊件。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四对待焊件进行夹装，夹装的压力为10～25MPa。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四在真空度为5×10^-3Pa的真空条件下，以20℃/min的速度，升温到1100～1200℃，保温60min。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤四以10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤一所述硼粉与碘球的质量比为1︰(1.5～2)，每升丙酮中所含硼粉与碘球的总质量为0.8～1.2g。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。

实施例一：本实施例缓解结构陶瓷及其复合材料瓷自身连接应力的方法按以下步骤实现：

一、将粒径为2μm的20mg硼粉、36mg碘球与60ml丙酮混合，超声分散30min得到含硼的电泳液；

二、打磨Ti箔和铜片，待焊结构陶瓷及其复合材料用800#，1000#，1500#的金刚石磨盘逐级打磨，将打磨后的Ti箔、铜片和待焊结构陶瓷及其复合材料放入丙酮中进行超声清洗10min，得到清洗后的Ti箔、铜片和待焊结构陶瓷及其复合材料；

三、采用直流电源，调节电压为25V，清洗后的Ti箔和铜片插入含硼的电泳液中，正极接入清洗后的铜片，负极接入清洗后的Ti箔片，正负电极间距为30mm，通电5min后得到沉积有硼粉的Ti箔；

四、取两片沉积有硼粉的Ti箔，将沉积有硼粉的Ti箔一侧的硼粉擦去，将含硼一侧相对叠在一起作为中间层，再将中间层夹在待焊陶瓷的待焊面之间，得到待焊件，然后对待焊件进行夹装(以15MPa的压力固定焊件)，真空钎焊炉中在真空度为5×10^-3Pa的条件下，以20℃/min的速度，升温到1150℃，保温60min，再以10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，完成结构陶瓷及其复合材料自身连接。

本实施例中结构陶瓷及其复合材料采用ZrB₂-SiC陶瓷，为ZrB₂粉与SiC粉按照体积百分比为4:1进行称量混合(质量比约为7.7:1)，球磨24h后在2000℃压力30MPa，热压烧结60min后制备得到的。步骤二中Ti箔的厚度为30μm，Ti箔与铜片为长方形，尺寸为50×10mm，ZrB₂基复合陶瓷的尺寸为5×5×2mm。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为140～150MPa。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤四采用三片沉积有硼粉的Ti箔叠层放置作为中间层，擦去与待焊结构陶瓷及其复合材料相接触的Ti箔上的硼粉。其它步骤及参数与实施例一相同。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为150～160MPa。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是步骤四以20℃/min的速度，升温到1200℃。其它步骤及参数与实施例一相同。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为160～170MPa。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤四以20℃/min的速度，升温到1100℃。其它步骤及参数与实施例一相同。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为120～130MPa。

实施例五：本实施例与实施例一不同的是步骤四以20℃/min的速度，升温到1150℃，保温80min。其它步骤及参数与实施例一相同。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为160～170MPa。

实施例六：本实施例与实施例一不同的是步骤三通电10min后得到沉积有硼粉的Ti箔。其它步骤及参数与实施例一相同。

本实施例所得的结构陶瓷及其复合材料自身扩散连接接头的抗剪强度为110～130MPa。

Claims (10)

1.一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于是按以下步骤实现：

一、将硼粉和碘球混合到丙酮中，超声分散均匀得到含硼的电泳液；

二、打磨Ti箔、铜片和待焊陶瓷，将打磨后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷放入丙酮中进行超声清洗，得到清洗后的Ti箔、铜片和待焊陶瓷；

三、采用直流电源，将清洗后的Ti箔和铜片平行插入含硼的电泳液中，正极接入清洗后的铜片，负极接入清洗后的Ti箔片，通电后得到沉积有硼粉的Ti箔；

四、将多片沉积有硼粉的Ti箔叠层夹在清洗后的待焊陶瓷待焊面之间，得到待焊件，然后对待焊件进行夹装，在真空条件下，以10～20℃/min的速度，升温到1100～1200℃，保温40～80min，再以5～10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温，完成结构陶瓷及其复合材料自身连接。

2.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤一所述硼粉的粒径为2μm。

3.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤一所述硼粉与碘球的质量比为1︰(1.5～2)，每升丙酮中所含硼粉与碘球的总质量为0.8～1.2g。

4.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤二使用金相砂纸将Ti箔和铜片打磨至600#。

5.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤二所述的待焊陶瓷依次使用800#，1000#，1500#的金刚石磨盘逐级打磨。

6.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤三调节电压为15～25V，控制铜片与Ti箔的电极间距为25～30mm，通电时间为2～10min。

7.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤四将2～6片沉积有硼粉的Ti箔叠层夹在清洗后的待焊陶瓷待焊面之间。

8.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤四对待焊件进行夹装，夹装的压力为10～25MPa。

9.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤四在真空度为5×10^-3Pa的真空条件下，以20℃/min的速度，升温到1100～1200℃，保温60min。

10.根据权利要求1所述的一种缓解结构陶瓷及其复合材料连接应力的方法，其特征在于步骤四以10℃/min的速度降温到300℃后，随炉冷却至室温。