CN105585328B - 一种纳米箔带连接碳化硅陶瓷基复合材料与金属的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米箔带连接碳化硅陶瓷基复合材料与金属的工艺，属于焊接制造技术领域。由于陶瓷及陶瓷基复合材料的加工性能较差、耐热冲击能力弱，目前针对SiC陶瓷基复合材料与金属的连接，尚缺乏适用的高温连接焊料和合适的耐高温连接工艺。本发明利用Ti‑Al纳米箔带作为焊料，可以在1000℃～1200℃的温度下实现扩散连接碳化硅陶瓷复合材料与金属，接头室温弯曲强度可达到180MPa～300MPa，而且这种焊接温度不会明显影响被焊金属自身的组织和性能。

Description

一种纳米箔带连接碳化硅陶瓷基复合材料与金属的工艺
技术领域
本发明涉及一种利用Ti-Al纳米箔带扩散连接碳化硅陶瓷复合材料与金属的工艺，属于焊接制造技术领域。
背景技术
陶瓷、陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构陶瓷材料，近年来尤其以碳化硅陶瓷(SiC)，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC),和碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)，以及硅/碳化硅陶瓷基复合材料(Si/SiC)是高温结构陶瓷材料中比较典型的代表。
但由于陶瓷及陶瓷基复合材料的加工性能较差、耐热冲击能力弱，以及制造尺寸大而且形状复杂的零件较为困难等缺点，通常需要与金属材料组成复合结构来应用，并且组合连接接头必须满足耐高温的使用要求。
应当说，陶瓷材料属于难焊接材料，国内外在陶瓷或陶瓷基复合材料的连接中，普遍使用传统的Ag-Cu-Ti、Cu-Ti系活性钎料进行钎焊连接，但相应的接头耐热温度很难超过500℃。陶瓷连接技术公开报道的还有使用Ni基钎料合金钎焊陶瓷基复合材料的研究结果，但自身接头室温弯曲强度只有58MPa左右，远低于被焊母材。
近年来也有采用在含有碳的坯体中熔渗入硅的反应方法进行碳化硅陶瓷的连接报道，但是连接温度高达1400℃以上，无法适用于SiC陶瓷与金属的连接。而且，对于碳化硅陶瓷基复合材料，比如Cf/SiC陶瓷基复合材料，SiCf/SiC陶瓷基复合材料，或者Si/SiC陶瓷基复合材料，因为复合材料的组分更加复杂，它们的连接技术比起SiC陶瓷更为复杂。
目前针对SiC陶瓷基复合材料与金属的连接，尚缺乏适用的高温连接焊料和合适的耐高温连接工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述技术需求和现有技术的不足，提供一种可用于碳化硅陶瓷基复合材料与金属连接的高活性扩散连接新方法。
本发明的技术解决方案是，一种纳米箔带连接碳化硅陶瓷基复合材料与金属的工艺，该工艺包括以下步骤：首先，制备纳米级厚度的Ti和Al金属层交替叠加的箔带；其次，以所述纳米箔带作为焊料，将其置于被焊接的SiC陶瓷基复合材料与被焊金属之间，采用真空扩散焊或者真空-氩气条件下的热压烧结方法，温度为1000℃～1200℃，压力为10MPa～30MPa，实现碳化硅陶瓷基复合材料与金属的连接。
所述纳米箔带中每个金属层的厚度为15nm～100nm，总厚度为30μm～100μm。
所述的热压烧结为热压放电等离子烧结，反应时间为3～10分钟。
所述的SiC陶瓷基复合材料包括SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基复合材料、SiCf/SiC陶瓷基复合材料或者Si/SiC陶瓷基复合材料。
所述金属包括Nb合金、Mo合金、TiAl金属间化合物或Ti-Al-Nb系合金。
所述Mo合金为TZM合金。
真空扩散焊或者真空-氩气条件下的热压烧结反应时间为3～60分钟。
对于碳化硅陶瓷基复合材料与TiAl金属间化合物、Ti-Al-Nb系合金的连接，在碳化硅陶瓷基复合材料与金属之间插入Nb合金或者Mo合金作为中间过渡层，然后在这个中间过渡层的两侧都置入Ti/Al纳米箔带，进行连接。
该工艺还可以用于C/C复合材料与金属之间的连接。
本发明可以为SiC陶瓷、SiC陶瓷基复合材料与金属的连接提供耐高温连接方法。相对于其他连接方法，本发明具有如下有益效果：
1.使用的焊料由纳米级厚度的Ti/Al双金属层交替变化的箔带组成，它具有极高的活性，比如在室温下点燃总厚度30μm～100μm的Ti/Al纳米箔带，它在大气条件下的燃烧速度达到10m/s，因此高活性导致可以在1000℃～1200℃的温度下实现SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基复合材料与金属的牢固连接，接头室温弯曲强度可达到180MPa～300MPa，而且这种焊接温度不会明显影响被焊金属自身的组织和性能；
2.由于纳米级厚度Ti/Al双金属层交替变化的箔带的极高活性，因此通过加热条件下的活化扩散反应，在靠近被焊陶瓷的界面生成TiC,Ti-Si-C，Ti-Al-C等二元和三元高熔点化合物，在靠近被焊金属的界面生成TiAl为主的反应产物，因此陶瓷-金属连接接头具有好的耐高温性能，具体讲，接头室温强度的80％以上可以稳定至1000℃的高温。而采用传统的活性钎料和钎焊工艺进行陶瓷-金属连接，需要的连接温度往往达到1100℃～1200℃甚至更高，但接头强度不足，并且接头的耐热性很难超过800℃；
3.本发明中的技术方案，不仅适合上述4类SiC陶瓷基复合材料与金属的连接，也适合于C/C复合材料与金属的连接，此时在靠近被焊的C/C复合材料的界面生成TiC,Ti-Al-C的二元和三元高熔点化合物。
具体实施方式
采用电子束-物理气相沉积(EB-PVD)等方法制备纳米级厚度双金属层Ti/Al交替变化的箔带，其中单层金属的厚度控制为15nm～100nm，纳米双金属箔带的总厚度控制为30μm～100μm，并使用这种纳米箔带作为焊料，置于被焊的SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基复合材料，或者C/C复合材料与被焊的金属之间，采用真空扩散焊或者真空-氩气条件下的热压烧结或者热压放电等离子烧结方法，通过1000℃～1200℃高温下纳米箔带中Ti/Al双元素之间的高活性以及它们与被焊的陶瓷复合材料、被焊的金属材料之间的活化扩散反应实现连接。反应连接过程中施加压力10MPa～30MPa。
对于陶瓷基复合材料与Nb合金或者Mo合金的连接，被焊的材料之间直接置入Ti/Al纳米箔带即可，而对于陶瓷基复合材料与TiAl金属间化合物，或者Ti-Al-Nb系合金的连接，则需要在被焊的陶瓷复合材料与被焊金属之间插入Nb合金或者Mo合金作为中间过渡层，并且在这个中间过渡层的两侧都需要置入Ti/Al纳米箔带。
采用真空扩散焊或者真空-氩气条件下的普通热压烧结方法，高温反应连接时间为0.2～1.0小时。若采用热压放电等离子烧结方法扩散连接，则反应时间为3～10分钟。
实施例一
选用纳米级厚度双金属层Ti/Al交替变化的箔带作为焊料，其中单层金属的厚度为15nm～40nm，纳米双金属箔带的总厚度为30μm～50μm，采用真空-氩气条件下的普通热压烧结方法，加热过程中的升温速度为15℃～20℃/min，通过在1180℃～1200℃高温下的扩散反应，反应过程中施加压力10MPa～15MPa，反应时间0.5～1.0小时。连接后从高温降至室温的冷却速度为2℃～6℃/min。
实施例二
选用纳米级厚度双金属层Ti/Al交替变化的箔带作为焊料，其中单层金属的厚度为30nm～50nm，纳米双金属箔带的总厚度为40μm～70μm，采用真空-氩气条件下的热压放电等离子烧结方法，加热过程中的升温速度为40℃～100℃/min，通过在1100℃～1200℃高温下Si和C元素原位反应，反应过程中施加压力15MPa～30MPa，反应时间4～8分钟。连接后从高温降至室温的冷却速度为30℃～100℃/min。
实施例三
选用纳米级厚度双金属层Ti/Al交替变化的箔带作为焊料，其中单层金属的厚度为40nm～80nm，纳米双金属箔带的总厚度为40μm～100μm，采用真空扩散焊方法，加热过程中的升温速度为15℃～20℃/min，通过在1180℃～1200℃高温下的扩散反应，反应过程中施加压力15MPa～25MPa，反应时间0.5～1.0小时。连接后从高温降至室温的冷却速度为2℃～6℃/min。
上述三种实施例中，均进行了SiC陶瓷，Cf/SiC陶瓷基复合材料,和SiCf/SiC陶瓷基复合材料，以及Si/SiC陶瓷基复合材料这四大类材料与Nb合金、Mo合金的连接，它们连接接头室温弯曲强度可达到180MPa～300MPa，而且接头室温强度的80％以上可以稳定至1000℃的高温。上述三种实施例中，也进行了C/C复合材料与Nb合金、Mo合金的连接，获得的连接接头的室温剪切强度达到25MPa～40MPa，而且接头室温强度的80％以上可以稳定至1000℃的高温。
实施例四
选用纳米级厚度双金属层Ti/Al交替变化的箔带作为焊料，分别进行陶瓷基复合材料与TiAl金属间化合物，和与Ti-Al-Nb系合金的连接，其中Ti/Al纳米箔带单层金属的厚度为40nm～60nm，纳米双金属箔带的总厚度为40μm～80μm。在被焊的陶瓷复合材料与被焊金属之间插入Nb合金或者Mo合金作为中间过渡层，中间过渡层的厚度为0.2mm～2.0mm，并且在这个中间过渡层的两侧均置入上述Ti/Al纳米箔带。采用真空扩散焊方法，加热过程中的升温速度为15℃～20℃/min，通过在1180℃～1200℃高温下的扩散反应，反应过程中施加压力15MPa～20MPa，反应时间0.5～0.8小时。连接后从高温降至室温的冷却速度为2℃～6℃/min。
获得的连接接头室温弯曲强度可达到180MPa～280MPa，而且接头室温强度的80％以上可以稳定至1000℃的高温。
另需说明的是，凡本发明中所描述的具体实施例，其配方、工艺所用名称等可以不同。凡基于本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种纳米箔带连接碳化硅陶瓷基复合材料与金属的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：首先，制备纳米级厚度的Ti金属层和Al金属层，两者交替叠加形成箔带；其次，以箔带作为焊料，将其置于被焊接的SiC陶瓷基复合材料与被焊金属之间，采用真空扩散焊或者真空-氩气条件下的热压烧结方法，温度为1000℃～1200℃，压力为10MPa～30MPa，实现碳化硅陶瓷基复合材料与金属的连接；箔带中每个金属层的厚度为15nm～100nm，总厚度为30μm～100μm。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述的热压烧结为热压放电等离子烧结，反应时间为3～10分钟。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述的SiC陶瓷基复合材料包括SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基复合材料、SiCf/SiC陶瓷基复合材料或者Si/SiC陶瓷基复合材料。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述金属包括Nb合金、Mo合金、TiAl金属间化合物或Ti-Al-Nb系合金。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述Mo合金为TZM合金。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：真空扩散焊或者真空-氩气条件下的热压烧结反应时间为3～60分钟。
7.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：当金属为TiAl金属间化合物或Ti-Al-Nb系合金时，对于碳化硅陶瓷基复合材料与TiAl金属间化合物、Ti-Al-Nb系合金的连接，在碳化硅陶瓷基复合材料与金属之间插入Nb合金或者Mo合金作为中间过渡层，然后在这个中间过渡层的两侧都置入Ti/Al纳米箔带，进行连接。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的工艺，其特征在于：该工艺还可以用于C/C复合材料与金属之间的连接。
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