CN105418135B - 一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法 - Google Patents

一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法 Download PDF

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Abstract

一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，本发明涉及复合材料的钎焊方法。本发明要解决现有SiO2陶瓷基复合材料表面活性钎料的润湿性极差，难以实现复合构件的高质量连接甚至于有效地连接，且采用钎焊方法连接SiO2陶瓷基复合材料‑金属构件时，由于SiO2陶瓷基复合材料和金属材料的热膨胀系数不同，使得接头在钎焊过程中产生很大的残余应力的问题。方法：首先打磨，然后对SiO2陶瓷基复合材料表面机械打孔，再进行等离子体处理，最后钎焊SiO2陶瓷基复合材料与金属。本发明用于SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法。

Description

一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法
技术领域
本发明涉及复合材料的钎焊方法。
背景技术
SiO2陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性、抗热冲击性及抗腐蚀性，以及良好的力学性能和热物理性能，因此在航空航天、武器装备等领域有着广泛的应用前景。但是SiO2陶瓷基复合材料难以加工，难以制成大尺寸或者复杂构件，实际应用中常采用连接方法制成SiO2陶瓷基复合材料-金属复合构件，来实现其优势互补，可在一定程度上克服困难。在众多连接方法中，钎焊是一种应用于陶瓷、复合材料与金属的连接，具有工艺简单、连接强度高、可产业化等特点。
钎焊连接是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，利用液态钎料润湿母材，通过其与两侧母材的冶金反应从而实现连接的一种方式，具有强度高，可靠性高，接头抗腐蚀性能好，以及耐热性能优异的特点，因此在异种材料的连接中应用十分广泛。然而，由于SiO2陶瓷基复合材料表面活性钎料的润湿性极差，难以实现复合构件的高质量连接甚至于有效地连接。同时，采用钎焊方法连接SiO2陶瓷基复合材料-金属构件时，由于SiO2陶瓷基复合材料和金属材料的热膨胀系数不同，使得接头在钎焊过程中产生很大的残余应力。因此，亟需开发出一种简单且高效的方法来解决上述问题。
发明内容
本发明要解决现有SiO2陶瓷基复合材料表面活性钎料的润湿性极差，难以实现复合构件的高质量连接甚至于有效地连接，且采用钎焊方法连接SiO2陶瓷基复合材料-金属构件时，由于SiO2陶瓷基复合材料和金属材料的热膨胀系数不同，使得接头在钎焊过程中产生很大的残余应力的问题，而提供一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法。
一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将SiO2陶瓷基复合材料和金属材料分别用砂纸打磨，然后依次利用丙酮清洗10min～20min，得到清洗后的SiO2陶瓷基复合材料和清洗后的金属材料；
二、用打孔机在清洗后的SiO2陶瓷基复合材料待焊面打盲孔，其中盲孔均匀分布在SiO2陶瓷基复合材料待焊面表面，盲孔的直径为0.5mm～5mm，盲孔深度为1mm～10mm，盲孔之间的距离为1.0mm～5.0mm，得到表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料；
三、将表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空，通入氩气，调节氩气气体流量为5sccm～40sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，将温度升温至150℃～500℃；
四、通入甲烷，调节氩气气体流量为5sccm～100sccm，调节甲烷气体流量为5sccm～100sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为50Pa～300Pa，然后在射频功率为200W、压强为50Pa～300Pa和温度为150℃～500℃的条件下进行等离子体处理，时间为1min～20min，得到等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料；
五、将钎料置于等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料与清洗后的金属材料的待焊接面之间，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空，然后将真空钎焊炉温度升温至800℃～1300℃，并在温度为800℃～1300℃下保温5min～30min，最后以降温速度为5℃/min将温度由800℃～1300℃冷却至室温，即完成SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，陶瓷表面形成独特的多孔结构，进而钎焊后陶瓷侧可以形成钉扎结构，可以极大地减缓了陶瓷基复合材料和金属材料之间由于热膨胀系数不同引起的残余应力。
2、本发明使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，对陶瓷进行的等离子体处理，可以有效地改善陶瓷表面的润湿性，从而显著地提高接头的强度，最终实现了陶瓷与金属的高质量连接。
3、本发明使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，简单、高效、成本低、便于工业化生产。
本发明用于一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法。
附图说明
图1为本发明SiO2陶瓷基复合材料与金属的钎焊示意图，1为等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料，2为钎料，3为金属材料；
图2为图1中等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料的仰视图；1-1为盲孔。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1至图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将SiO2陶瓷基复合材料和金属材料分别用砂纸打磨，然后依次利用丙酮清洗10min～20min，得到清洗后的SiO2陶瓷基复合材料和清洗后的金属材料；
二、用打孔机在清洗后的SiO2陶瓷基复合材料待焊面打盲孔，其中盲孔均匀分布在SiO2陶瓷基复合材料待焊面表面，盲孔的直径为0.5mm～5mm，盲孔深度为1mm～10mm，盲孔之间的距离为1.0mm～5.0mm，得到表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料；
三、将表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空，通入氩气，调节氩气气体流量为5sccm～40sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氩气气氛下，将温度升温至150℃～500℃；
四、通入甲烷，调节氩气气体流量为5sccm～100sccm，调节甲烷气体流量为5sccm～100sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为50Pa～300Pa，然后在射频功率为200W、压强为50Pa～300Pa和温度为150℃～500℃的条件下进行等离子体处理，时间为1min～20min，得到等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料；
五、将钎料置于等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料与清洗后的金属材料的待焊接面之间，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空，然后将真空钎焊炉温度升温至800℃～1300℃，并在温度为800℃～1300℃下保温5min～30min，最后以降温速度为5℃/min将温度由800℃～1300℃冷却至室温，即完成SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法。
图2为图1中等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料的俯视图，俯视面即等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料的待焊面。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，陶瓷表面形成独特的多孔结构，进而钎焊后陶瓷侧可以形成钉扎结构，可以极大地减缓了陶瓷基复合材料和金属材料之间由于热膨胀系数不同引起的残余应力。
2、本实施方式使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，对陶瓷进行的等离子体处理，可以有效地改善陶瓷表面的润湿性，从而显著地提高接头的强度，最终实现了陶瓷与金属的高质量连接。
3、本实施方式使用的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，简单、高效、成本低、便于工业化生产。
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SiO2陶瓷基复合材料为SiO2f/SiO2复合陶瓷、SiO2f/Al2O3复合陶瓷、石英玻璃陶瓷或SiO2-BN复合陶瓷。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之一不同的是：步骤一中所述的金属材料为Nb、TC4钛合金或因瓦合金。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：步骤五中所述的钎料为AgCuTi、TiNi、TiNiNb或TiNiCo。其它与具体实施方式一至三相同。
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：所述的钎料为箔片或粉末。其它与具体实施方式一至四相同。
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：步骤二中盲孔的直径为0.5mm～2mm，盲孔深度为1mm～5mm。其它与具体实施方式一至五相同。
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：步骤四中然后在射频功率为200W、压强为50Pa～200Pa和温度为200℃～400℃的条件下进行等离子体处理，时间为5min～15min。其它与具体实施方式一至六相同。
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：步骤四中所述的氩气和甲烷的气体流量比为1:1。其它与具体实施方式一至七相同。
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：步骤五中然后将真空钎焊炉温度升温至860℃，并在温度为860℃下保温10min。其它与具体实施方式一至八相同。
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：步骤五中然后将真空钎焊炉温度升温至860℃，并在温度为860℃下保温20min。其它与具体实施方式一至九相同。
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：步骤五中在温度为600℃下保温5min～30min。其它与具体实施方式一至十相同。
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：步骤五中在温度为860℃下保温5min～30min。其它与具体实施方式一至十一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将SiO2陶瓷基复合材料和金属材料分别用砂纸打磨，然后依次利用丙酮清洗15min，得到清洗后的SiO2陶瓷基复合材料和清洗后的金属材料；
二、用打孔机在清洗后的SiO2陶瓷基复合材料待焊面打盲孔，其中盲孔均匀分布在SiO2陶瓷基复合材料待焊面表面，盲孔的直径为0.5mm，盲孔深度为1.0mm，盲孔之间的距离为1.5mm，得到表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料；
三、将表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空，通入氩气，调节氩气气体流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为150Pa，并在压强为150Pa和氩气气氛下，将温度升温至300℃；
四、通入甲烷，调节氩气气体流量为80sccm，调节甲烷气体流量为80sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为150Pa，然后在射频功率为200W、压强为150Pa和温度为300℃的条件下进行等离子体处理，时间为10min，得到等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料；
五、将钎料置于等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料与清洗后的金属材料的待焊接面之间，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空，然后将真空钎焊炉温度升温至860℃，并在温度为860℃下保温10min，最后以降温速度为5℃/min将温度由860℃冷却至室温，得到SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料和金属Nb的连接体，即完成SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法；
步骤一中所述的SiO2陶瓷基复合材料为SiO2f/SiO2复合陶瓷；步骤一中所述的金属材料为Nb；
步骤五中所述的钎料为AgCuTi箔片；AgCuTi箔片使用前需进行清洗：将AgCuTi箔片用砂纸打磨，然后置于丙酮清洗15min。
本实施例得到的SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料和金属Nb的连接体在室温下的抗剪强度为65.8MPa，未经过打孔处理的SiO2f/Al2O3陶瓷基复合材料和金属Nb的连接体在室温下的抗剪强度为5.9MPa。

Claims (3)

1.一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将SiO2陶瓷基复合材料和金属材料分别用砂纸打磨，然后依次利用丙酮清洗10min～20min，得到清洗后的SiO2陶瓷基复合材料和清洗后的金属材料；
步骤一中所述的SiO2陶瓷基复合材料为SiO2f/SiO2复合陶瓷、SiO2f/Al2O3复合陶瓷、石英玻璃陶瓷或SiO2-BN复合陶瓷；
步骤一中所述的金属材料为Nb、TC4钛合金或因瓦合金；
二、用打孔机在清洗后的SiO2陶瓷基复合材料待焊面打盲孔，其中盲孔均匀分布在SiO2陶瓷基复合材料待焊面表面，盲孔的直径为0.5mm～5mm，盲孔深度为1mm～10mm，盲孔之间的距离为1.0mm～5.0mm，得到表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料；
三、将表面多孔结构的SiO2陶瓷基复合材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空，通入氩气，调节氩气气体流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为150Pa，并在压强为150Pa和氩气气氛下，将温度升温至300℃；
四、通入甲烷，调节氩气气体流量为80sccm～100sccm，调节甲烷气体流量为80sccm～100sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为150Pa，然后在射频功率为200W、压强为150Pa和温度为300℃的条件下进行等离子体处理，时间为10min～20min，得到等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料；
步骤四中所述的氩气和甲烷的气体流量比为1:1；
五、将钎料置于等离子体处理后的SiO2陶瓷基复合材料与清洗后的金属材料的待焊接面之间，得到待焊件，将待焊件置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空，然后将真空钎焊炉温度升温至860℃，并在温度为860℃下保温10min，最后以降温速度为5℃/min将温度由860℃冷却至室温，即完成SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法；
步骤五中所述的钎料为AgCuTi、TiNi、TiNiNb或TiNiCo。
2.根据权利要求1所述的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，其特征在于所述的钎料为箔片或粉末。
3.根据权利要求1所述的一种SiO2陶瓷基复合材料的钎焊方法，其特征在于步骤二中盲孔的直径为0.5mm～2mm，盲孔深度为1mm～5mm。
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