CN106493443B - 一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，本发明涉及陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的钎焊方法，它为解决现有陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的钎焊接头残余应力较高，可靠性较低的问题。钎焊方法：一、打磨待焊陶瓷和金属材料等钎焊材料；二、用AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷形成中间层，加热熔化后冷却获得陶瓷‑金属双相连续中间层；三、将待焊金属材料、AgCuTi箔状钎料、双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi箔状钎料、待焊陶瓷按顺序依次由下到上叠放；四、真空钎焊待焊件。本发明采用无压浸渗法使液态AgCuTi钎料填充多孔陶瓷，AgCuTi箔/双相中间层/Ti箔/AgCuTi箔叠放进行钎焊，提高了接头强度。

Description

一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的钎焊方法，具体涉及一种残余应力低、性能可靠稳定的复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法。
背景技术
新型陶瓷或陶瓷基复合材料具有高熔点、高硬度、良好的断裂韧性、高温抗氧化性和抗热震性能，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而在实际应用中，为解决因陶瓷材料自身硬度高带来的构件加工难度大的问题，需制备陶瓷-金属复合构件。
目前，连接陶瓷或陶瓷基复合材料和金属最常见的方法是钎焊。陶瓷或陶瓷基复合材料和金属连接需要解决的问题有：1）选择合适的钎料，实现钎料对陶瓷或陶瓷基复合材料的润湿，并控制陶瓷或陶瓷基复合材料与钎料的界面反应程度；2）改善接头中脆性化合物的分布，降低接头组织的脆性，提高接头抗承载能力；3）制备合适的中间层，实现钎焊接头热膨胀系数的梯度过渡，减小接头中的残余应力，提高接头的性能。为解决上述3个问题，可以使用多孔材料作为中间层，保证在钎焊的过程中，钎料与中间层反应，形成双相连续的复合结构，另外，多孔材料作为中间层，可降低钎缝的热膨胀系数，实现热膨胀系数的梯度过渡，有效缓解残余应力。申请号为CN201410828181.7、CN201410249916.0、CN201510619427.4、CN201610056882.2的中国专利介绍了以多孔材料或泡沫材料作为中间层连接陶瓷或异种材料的方法。上述方法均考虑在钎焊过程中钎料熔化后通过毛细作用渗入填充材料结构孔隙中，形成复合中间层结构钎缝，实现接头热胀系数梯度过渡，缓解接头残余应力。然而，液态钎料与金属材料相互作用，在钎缝中形成多种脆性化合物，会增加液态钎料的粘度，降低液态钎料的流动性，使多孔材料局部位置存在填充不足及多孔材料与液态钎料反应不充分的问题。特别是，多孔材料对液态钎料中活性元素的消耗，会导致钎料中活性元素与待焊陶瓷反应不充分，因此需开发一种新的中间层解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的钎焊接头残余应力较高，可靠性较低的问题，而提供一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法。
本发明复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法按照以下步骤实现：
一、将待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料用砂纸打磨，然后用丙酮清洗10min～20min，得到干净的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料；
二、将干净的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷形成中间层，然后把中间层置于真空钎焊炉中，以加热速率为2℃/min～50℃/min升温至840℃～920℃，保温1min～30min，冷却至室温后切割成箔片获得以多孔陶瓷为骨架的陶瓷-金属双相连续中间层；
三、将干净的待焊金属材料、AgCuTi箔状钎料、陶瓷-金属双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi箔状钎料、待焊陶瓷或陶瓷基复合材料按顺序依次由下到上叠放，固定后得到待焊件；
四、将步骤三得到的待焊件置于真空钎焊炉中，以加热速率为1℃/min～50℃/min升温至800℃～910℃，保温5min～30min，然后以降温速率为2℃/min～20℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃，开炉取件，即完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊；
其中步骤二所述的AgCuTi粉末钎料由质量分数为64.8%～71.3%的Ag，25.2%～27.7%的Cu和1%～10%的TiH2组成。
本发明提出一种采用无压浸渗法使液态AgCuTi钎料填充多孔陶瓷制备陶瓷-金属双相连续中间层，然后将AgCuTi箔/陶瓷-金属双相连续中间层/Ti箔/AgCuTi箔叠放在一起钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属。采用此方法主要包含有以下三个显著优势：
1）钎焊前制备陶瓷-金属双相连续中间层，可保证多孔陶瓷与AgCuTi钎料发生充分的化学冶金反应，最终形成以陶瓷为骨架，金属填充陶瓷孔洞的陶瓷-金属双相连续中间层。通过选取不同孔隙率和孔径的多孔陶瓷，灵活调节中间层的弹性模量、热膨胀系数等多项热物理性能。特别是，双相连续中间层是在钎焊之前采用无压浸渗方法制备，可以保证液态AgCuTi钎料充分填充多孔陶瓷的孔隙中，不会存在局部未填满区域。
2）在复合中间层中使用陶瓷-金属双相连续中间层，可保证接头脆性化合物不向陶瓷或陶瓷基复合材料侧偏聚，从而改善接头脆性化合物的分布状态。
3）在复合中间层中使用Ti箔，可以补充钎料中被多孔陶瓷消耗的活性元素Ti，保证钎料与陶瓷或陶瓷基复合材料充分反应。此外，Ti箔的加入，可以进一步调控接头热膨胀系数，保证热膨胀系数由陶瓷或陶瓷基复合材料侧到金属材料侧的梯度过渡，进而降低接头的残余应力，提高接头强度，使接头强度提高了187%，且产品性能稳定。
附图说明
图1为实施例一得到的ZrB2-SiC-C陶瓷基复合材料与GH99合金的钎焊接头的微观组织图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法按照以下步骤实现：
一、将待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料用砂纸打磨，然后用丙酮清洗10min～20min，得到干净的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料；
二、将干净的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷形成中间层，然后把中间层置于真空钎焊炉中，以加热速率为2℃/min～50℃/min升温至840℃～920℃，保温1min～30min，冷却至室温后切割成箔片获得以多孔陶瓷为骨架的陶瓷-金属双相连续中间层；
三、将干净的待焊金属材料、AgCuTi箔状钎料、陶瓷-金属双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi箔状钎料、待焊陶瓷或陶瓷基复合材料按顺序依次由下到上叠放，固定后得到待焊件；
四、将步骤三得到的待焊件置于真空钎焊炉中，以加热速率为1℃/min～50℃/min升温至800℃～910℃，保温5min～30min，然后以降温速率为2℃/min～20℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃，开炉取件，即完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊；
其中步骤二所述的AgCuTi粉末钎料由质量分数为64.8%～71.3%的Ag，25.2%～27.7%的Cu和1%～10%的TiH2组成。
本实施方式步骤二通过AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷的两侧表面并填充到孔中，然后置于钎焊炉中加热粉末钎料，粉末钎料熔化后将多孔陶瓷上的孔填满。
本实施方式所述的复合中间层连接陶瓷或陶瓷基复合材料和金属的方法，钎焊前首先制备一种陶瓷-金属双相连续中间层，并以金属材料、AgCuTi钎料、陶瓷-金属双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi钎料、陶瓷或陶瓷基复合材料的顺序依次从下到上叠放。由于钎焊过程中，部分陶瓷-金属双相连续中间层中的陶瓷相会与液态钎料继续反应，导致AgCuTi钎料中活性Ti元素实际含量减少，使得陶瓷或陶瓷基复合材料侧出现反应不足的问题，因此，需要将Ti箔置于陶瓷-金属双相连续中间层和AgCuTi钎料之间。
本实施方式在钎焊之前采用无压浸渗法使液态AgCuTi钎料填充多孔陶瓷制备陶瓷-金属双相连续中间层，将AgCuTi箔/陶瓷-金属双相连续中间层/Ti箔/AgCuTi箔叠放在一起钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属。主要解决了现有陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊中的三个问题：实现钎料对非金属的润湿，并控制陶瓷或陶瓷基复合材料侧的界面反应程度；改善接头中脆性化合物的分布，降低接头组织脆性，提高接头承载能力；实现钎焊接头热膨胀系数的梯度过渡，减小接头中的残余应力。
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用80#～1000#SiC砂纸打磨待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料。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一所述的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料为ZrB2-SiC-C陶瓷基复合材料、ZrB2-SiC陶瓷基复合材料、C/SiC陶瓷基复合材料、C/C复合材料、SiC陶瓷、ZrB2陶瓷、ZrO2陶瓷、Al2O3陶瓷或石墨。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一所述的待焊金属材料为钢、铌、镍、铁镍合金、钛镍合金或高温合金。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所述的多孔陶瓷为多孔SiC陶瓷或Si3N4陶瓷，其孔隙率为10%～85%，平均孔径为200μm～1.7mm。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一所述的AgCuTi箔状钎料由质量分数为68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的Ti组成。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一所述的AgCuTi箔状钎料的厚度为30μm～100μm。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一所述的Ti箔的纯度为99.6%～99.9%，厚度为50μm～300μm。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二以加热速率为10℃/min～20℃/min升温至840℃～920℃，保温2min～20min，以降温速率为2℃/min～20℃/min冷却至室温。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二陶瓷-金属双相连续中间层的厚度为100μm～2mm。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加热速率为15℃/min升温至850℃，保温10min，然后以降温速率为10℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
实施例一：本实施例复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法按照以下步骤实现：
一、将待焊ZrB2-SiC-C复合材料、待焊GH99合金、多孔SiC陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料用砂纸打磨，然后用丙酮清洗20min，去除材料表面的氧化膜和杂质，得到干净的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔SiC陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料；
二、将干净的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷形成中间层，然后把中间层置于真空钎焊炉中，以加热速率为15℃/min升温至860℃，保温10min，以降温速率10℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃，切割至厚度为250μm的箔片获得以多孔陶瓷为骨架的陶瓷-金属双相连续中间层；
三、将干净的待焊金属材料、AgCuTi箔状钎料、陶瓷-金属双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi箔状钎料、待焊陶瓷或陶瓷基复合材料按顺序依次由下到上叠放，固定后得到待焊件；
四、将步骤三得到的待焊件置于真空钎焊炉中，以加热速率为15℃/min升温至850℃，保温10min，然后以降温速率为10℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃，开炉取件，即完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊；
其中步骤一所述的AgCuTi箔状钎料由质量分数为68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的Ti组成，其厚度为80μm；所述Ti箔厚度为80μm；所述多孔SiC陶瓷平均孔径为1mm，平均孔隙率为75%。
步骤二所述的AgCuTi粉末钎料由质量分数为68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的TiH2组成。
图1为本实施例得到的ZrB2-SiC-C复合材料（ZSC复合材料）与GH99合金的钎焊接头微观组织。从图1可观察到钎料完全填充多孔SiC陶瓷骨架，钎缝中未出现气孔、未焊合等缺陷，活性钎料与多孔SiC陶瓷及两侧母材界面反应充分，形成了良好的冶金结合，陶瓷母材侧和钎缝中没有裂纹，且连续的带状脆性化合物仅分布在GH99侧。AgCuTi/Ti/陶瓷-金属双相连续中间层/AgCuTi复合中间层钎焊ZrB2-SiC-C复合材料与GH99时，热膨胀系数由陶瓷或陶瓷基复合材料侧到金属侧的梯度过渡，进而降低接头的残余应力，提高接头的强度。
本实施例AgCuTi/Ti/陶瓷-金属双相连续中间层/AgCuTi复合中间层连接陶瓷基复合材料与金属材料，经测试，ZrB2-SiC-C复合材料与GH99合金的室温抗剪强度达到112MPa。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤一为ZrO2陶瓷，步骤二得到的陶瓷-金属双相连续中间层厚度为200μm，步骤四以加热速率为15℃/min升温至860℃。其它与实施例一相同。
本实施例经测试，ZrO2与GH99合金的室温抗剪强度达到130MPa。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是所述陶瓷基复合材料为C/C复合材料，金属材料为Nb，步骤二得到的陶瓷-金属双相连续中间层厚度为200μm，步骤四以加热速率为15℃/min升温至860℃。
本实施例经测试，C/C复合材料与Nb的室温抗剪强度达到31MPa。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是所述陶瓷基复合材料为C/C复合材料，金属材料为不锈钢，步骤二得到的陶瓷-金属双相连续中间层厚度为300μm，步骤四以加热速率为15℃/min升温至860℃。其它与实施例一相同。
本实施例经测试，C/C复合材料与不锈钢的室温抗剪强度为40MPa。
实施例五：本实施例与实施例一不同的是所述的金属材料为Invar合金，步骤四以加热速率为15℃/min升温至860℃。其它与实施例一相同。
本实施例经测试，ZrB2-SiC-C复合材料与Invar的室温抗剪强度为81MPa。

Claims (10)

1.一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、将待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料用砂纸打磨，然后用丙酮清洗10min～20min，得到干净的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料、待焊金属材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔状钎料；
二、将干净的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末钎料包覆多孔陶瓷形成中间层，然后把中间层置于真空钎焊炉中，以加热速率为2℃/min～50℃/min升温至840℃～920℃，保温1min～30min，冷却至室温后切割成箔片获得以多孔陶瓷为骨架的陶瓷-金属双相连续中间层；
三、将干净的待焊金属材料、AgCuTi箔状钎料、陶瓷-金属双相连续中间层、Ti箔、AgCuTi箔状钎料、待焊陶瓷或陶瓷基复合材料按顺序依次由下到上叠放，固定后得到待焊件；
四、将步骤三得到的待焊件置于真空钎焊炉中，以加热速率为1℃/min～50℃/min升温至800℃～910℃，保温5min～30min，然后以降温速率为2℃/min～20℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃，开炉取件，即完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属材料的钎焊；
其中步骤二所述的AgCuTi粉末钎料由质量分数为64.8％～71.3％的Ag，25.2％～27.7％的Cu和1％～10％的TiH2组成。
2.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的待焊陶瓷或陶瓷基复合材料为ZrB2-SiC-C陶瓷基复合材料、ZrB2-SiC陶瓷基复合材料、C/SiC陶瓷基复合材料、C/C复合材料、SiC陶瓷、ZrB2陶瓷、ZrO2陶瓷或Al2O3陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的待焊金属材料为钢、铌、镍、铁镍合金、钛镍合金或高温合金。
4.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于所述的多孔陶瓷为多孔SiC陶瓷或Si3N4陶瓷，其孔隙率为10％～85％，平均孔径为200μm～1.7mm。
5.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的AgCuTi箔状钎料由质量分数为68.8％的Ag，26.7％的Cu和4.5％的Ti组成。
6.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的AgCuTi箔状钎料的厚度为30μm～100μm。
7.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤一所述的Ti箔的厚度为50μm～300μm。
8.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤二以加热速率为10℃/min～20℃/min升温至840℃～920℃，保温2min～20min，以降温速率为2℃/min～20℃/min冷却至室温。
9.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤二陶瓷-金属双相连续中间层的厚度为100μm～2mm。
10.根据权利要求1所述的一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，其特征在于步骤四以加热速率为15℃/min升温至850℃，保温10min，然后以降温速率为10℃/min降温至400℃，然后随炉冷却至150℃。
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