CN106944695B - 一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，将化学成分包括但不限于氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末和纳米α‑Si3N4颗粒的致密化涂料均匀喷涂到多孔陶瓷待焊面上，在保护气氛下中加热至1400 ℃~1600 ℃，保温30 min~90 min，使喷涂过的表面形成致密化涂层，之后再使用相应钎料进行真空钎焊即可实现金属与多孔陶瓷之间更好的连接。本发明的目的是提供一种能够实现多孔陶瓷与金属之间更有效的高强度连接的真空钎焊方法，并且得到的多孔陶瓷与金属的钎焊接头力学性能优良，能够满足实际应用的需要。

Description

一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法

技术领域

本发明涉及金属与陶瓷连接技术，具体涉及用于对多孔陶瓷与金属进行连接的一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，该方法可以应用于各种涉及到多孔陶瓷与金属连接件的制造领域，大大优化接头力学性能。

背景技术

目前，多孔陶瓷因其兼具了优良的机械性能和独特的多孔结构以及透波性等物理性能而被广泛的应用于航空航天以及军工等领域，而它们在使用过程中往往需要与轻质高强度高温合金进行有效的连接。然而陶瓷与金属之间的热膨胀系数和杨氏模量等存在较大的差异，在连接过程中熔融的液态钎料会在多孔陶瓷的毛细作用下进入陶瓷的孔洞中，形成渗入层，而由于金属与陶瓷之间较大的热膨胀系数和弹性模量的差异，使得钎缝、渗入层、陶瓷母材之间在降温过程中产生了较大的残余应力，这种内应力的存在将导致裂纹等缺陷的形成，进而降低钎焊接头的强度。

发明内容

为了克服上述技术问题并改善多孔陶瓷与金属连接接头的性能，本发明提供了一种能够实现多孔陶瓷与金属之间更有效的高强度连接方法，并且能得到力学性能优良的接头，为了使多孔陶瓷与金属之间的到更有效的高强度连接，本发明引入并应用了化学成分包括但不限于氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末和纳米α-Si3N4颗粒的涂料来致密化多孔陶瓷表面的思路，在不影响多孔陶瓷的实际使用性能的情况下起到优化多孔陶瓷吸水率，提高强度，减小多孔表面上孔与孔中填充物间的热膨胀系数差异，改善接头力学性能的重要作用。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，步骤为：

1）多孔陶瓷基体预处理：将多孔陶瓷用200#、400#、800#SiC砂纸由粗到细逐级打磨至其表面平整光滑，超声清洗，清洗完毕后放入干燥箱中，在50 ℃~100 ℃下干燥6~10h；

2）致密化涂料制备：致密化涂料成分包括氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末和纳米α-Si3N4颗粒；

3）使用气动雾化喷枪将步骤2）中的致密化涂料均匀的喷涂在步骤1）中预处理过的多孔陶瓷表面，喷涂次数为2~3次，保持涂层厚度在50~100 μm之间；

4）将步骤3）中将喷涂好的多孔陶瓷放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10 h；

5）将步骤4）中处理后的多孔陶瓷放入烧结炉中进行烧结，在保护气气氛中加热至1400 ℃~1600 ℃，优选1500℃~1600℃；保温30 min~90 min，优选60min~90min，使喷涂过的表面形成致密化涂层；

6）钎料粉制备：按照金属与多孔陶瓷的种类选择并制备相应钎料；

7）钎焊接头装配：将步骤6）中制备完成的钎料粉与步骤5）中完成表面致密化的多孔陶瓷和金属进行按照：多孔陶瓷、钎料粉、金属的顺序从上而下进行装配，保持钎料粉厚度在50~200 μm之间；

8）将步骤7）中装配完成的钎焊接头放入真空炉中，在真空环境下加热至750 ℃~950 ℃，优选840℃~920℃；保温时间不大于30min，优选5min~30min。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.所配制的致密化涂料在多孔陶瓷表面烧结之后对多孔陶瓷表面上微孔的填充效果良好，且表面致密化后能防止液相继续向多孔陶瓷内部渗透，保证了多孔陶瓷的性能。

2.使用本发明中的表面致密化方法处理后的多孔陶瓷，其表面孔与孔中填充物间的热膨胀系数差异减小，能够减小钎焊后的接头残余应力。

3.使用本发明中的表面致密化方法处理后的多孔陶瓷，其表面对于钎料的润湿性优于没有经过致密化处理的多孔陶瓷，有利于后续钎焊过程的进行，并且提高了得到的钎焊接头的性能。

4.本发明方法能够满足在多孔陶瓷实际应用中，要求多孔陶瓷表层是致密的，以保证其性能受外界环境因素影响尽可能小，又保证了其内部仍然是多孔结构，自身独特的物理性能几乎不变。

本发明步骤1)中多孔陶瓷包括多孔氮化硅陶瓷、多孔氮化铝陶瓷、多孔氧化铝陶瓷，本发明可以实现上述多孔陶瓷与金属的有效连接。

本发明步骤2）中致密化涂料的具体配制方法为将氧化钇粉末、氧化硅粉末和氧化铝粉末按照重量份数为：Y2O3:SiO2:Al2O3=(3~6):(2~3):(2~3)制成混合粉末，将所述的混合粉末与纳米α-Si3N4颗粒按比例混合制成致密化涂料粉末，所述致密化涂料粉末中纳米α-Si3N4 颗粒的质量分数为10~20 wt.%，将所述的致密化涂料粉末机械球磨8~12 h，然后丙酮为介质制成致密化涂料。

本发明步骤6)和步骤7)中金属种类包括钛合金、钛铝合金、钢、镍基合金，本发明可以实现多孔陶瓷与上述金属的有效连接。

本发明步骤6)中使用的钎料种类包括Ag基钎料、Cu基钎料、Ni基钎料。

本发明步骤3)中气动雾化喷枪采用压缩空气为气源，气体压力为0.25~0.5 MPa，喷嘴直径为0.3~0.5 mm，喷涂宽度15~30 mm，喷涂距离50~150 mm。

本发明步骤7)中金属和经步骤5)得到的多孔陶瓷母材的待焊面进行打磨，并进行超声清洗15 min~20 min。

本发明步骤8)中，为保证钎料与母材之间的充分接触，在装配件正上方施加0.5MPa~2 MPa的轴向压力，优选施加1.5MPa的轴向压力，钎焊过程中保证炉内真空度为1×10-2~1×10-4 Pa，钎焊升温速率为5 ℃/min~10 ℃/min，冷却速率为1 ℃/min~5 ℃/min。

进一步，本发明步骤1）中多孔氮化硅陶瓷的孔隙率为45%~60%

进一步，本发明步骤2）中纳米Si3N4颗粒的尺寸为20nm~50nm。

进一步，本发明步骤2）中氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末质量重量比优选为Y2O3:SiO2:Al2O3=4:3:3。本发明步骤2)和步骤6)中球磨罐为玛瑙罐，所用球磨球为玛瑙球。

本发明步骤6）中优选将Ti粉与AgCu粉末混合后进行机械球磨4~6h，，得到AgCuTi钎料，其中Ti粉的质量分数为2~8wt.%，余量为AgCu粉末，这一过程中优选Ti粉和AgCu共晶粉末的尺寸为10μm~50μm。

本发明利用在多孔陶瓷表面烧结上一定成分的致密化涂料使陶瓷表面致密化，优化了该表面的强度、吸水率以及热胀系数差异，使得多孔陶瓷与金属之间高强度的连接更加有效，得到的钎焊接头的力学性能优良，有利于多孔陶瓷与金属钎焊接头的推广应用。

附图说明

图1为采用本发明方法获得的多孔氮化硅陶瓷与钛铝基合金接头界面显微组织照片。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，

1）选取多孔陶瓷基体，用200#、400#、800#SiC砂纸由粗到细逐级打磨至表面平整光滑，经由抛光处理后超声清洗15~30min，清洗完毕后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10 h；

2）将化学成分包括但不限于氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末和纳米α-Si3N4颗粒的致密化涂料配制好，以丙酮溶液为介质制成致密化涂料，

3）用气动雾化喷枪将制成的致密化涂料均匀的喷涂预处理过的多孔陶瓷表面，喷涂次数为2~3次，保持涂层厚度在50~100 μm之间，

4）将喷涂好的多孔陶瓷放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10 h，

5）将经步骤四处理后的多孔陶瓷放入烧结炉中进行烧结，在保护气气氛中加热至1400 ℃~1600 ℃，保温30 min~90 min，使喷涂过的表面形成致密化涂层；

6）按照金属与多孔陶瓷的种类选择并制备相应钎料；

7）将步骤6）中得到的钎料与预处理后的表面致密化的多孔陶瓷和金属按多孔陶瓷、钎料粉、金属的顺序从上到下进行装配，保持钎料粉厚度在50~200 μm之间；

8）将装配好的钎焊接头放入真空炉中，在真空环境下加热至750 ℃~950 ℃，保温时间不大于30min，优选5min~30min。

步骤2）中致密化涂料的具体配制方法包括但不限于将氧化钇粉末、氧化硅粉末和氧化铝粉末按照重量份数为：Y2O3:SiO2:Al2O3=(3~6):(2~3):(2~3)，将所述的混合粉末与纳米α-Si3N4颗粒按比例混合制成致密化涂料粉末，所述致密化涂料粉末中纳米α-Si3N4颗粒的质量分数为10~20 wt.%，将所述的致密化涂料粉末机械球磨8~12 h，然后丙酮为介质制成致密化涂料。

步骤3）中气动雾化喷枪采用压缩空气为气源，气体压力为0.25~0.5 MPa，喷嘴直径为0.3~0.5 mm，喷涂宽度15~30 mm，喷涂距离50~150 mm。

步骤7）中金属和经步骤五得到的多孔陶瓷母材的待焊面用200#、400#、800#SiC砂纸进行打磨，并在丙酮溶液中超声清洗15 min~20 min；步骤8）中，为保证钎料与母材之间的充分接触，在装配件正上方施加0.5 MPa~2 MPa的轴向压力；钎焊过程中保证炉内真空度为10-2~10-4 Pa，钎焊升温速率为5℃/min~10℃/min，冷却速率为1℃/min~5℃/min；步骤8）中装配件上方施加1.5 Mpa的轴向压力，钎焊过程中保证炉内真空度为10-4 Pa，钎焊升温速率为10 ℃/min，冷却速率为1 ℃/min。

实施例1：

步骤一、选取孔隙率为45%的多孔氮化硅陶瓷基体，用200#、400#、800#SiC砂纸由粗到细逐级打磨至表面平整光滑，抛光处理后放入丙酮溶液中超声清洗15~30 min，清洗完毕后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10 h。

步骤二、将氧化钇粉、氧化硅粉、氧化铝粉末与纳米Si3N4颗粒按一定比例混合，其中纳米α-Si3N4颗粒的尺寸为20~50 nm，质量分数为10wt.%，Y2O3、SiO2、Al2O3原料粉末中，各物质质量比为Y2O3:SiO2:Al2O3=(3~6):(2~3):(2~3)，进行机械球磨8~12 h，以丙酮溶液为介质制成致密化涂料。

步骤三、用气动雾化喷枪将制成的致密化涂料均匀的喷涂预处理过的多孔氮化硅陶瓷表面，喷涂次数为2次，保持涂层厚度在50~100 μm之间。

步骤四、将喷涂好的多孔氮化硅陶瓷放入干燥箱中，在50 ℃下干燥6~10 h，

步骤五、将经步骤四处理后的多孔氮化硅陶瓷放入烧结炉中进行烧结，在N2气氛中加热至1500 ℃，保温60 min，得到表面致密化层。烧结过程具体为800 ℃以下升温速率为10 ℃/min，800 ℃~1300 ℃升温速率为5 ℃/min，1300 ℃以上升温和降温速率均为3℃/min，1300 ℃~800 ℃降温速率为5 ℃/min，到达800 ℃之后随炉冷却至室温；

步骤六、将尺寸为10 μm~50 μm，质量分数为2 wt.%的Ti粉与AgCu粉末进行机械球磨4~6 h，得到AgCuTi钎料；

步骤七、钛铝基合金和多孔氮化硅母材的待焊面用200#、400#、800#SiC砂纸进行打磨，并在丙酮溶液中超声清洗15 min~20 min。将球磨后的AgCuTi钎料与预处理后的表面致密化的多孔氮化硅陶瓷和钛铝基合金进行装配，保持钎料粉厚度在50 μm。

步骤八、为保证钎料与母材之间的充分接触，在装配件上方施加0.5 MPa的轴向压力，将装配好的钎焊接头放入真空炉中，在真空度1×10-2~1×10-4 Pa环境下以升温速率为5 ℃/min加热至840 ℃，保温5 min，再以1 ℃/min的冷却速率冷却至室温。

实施例2：步骤一、选取孔隙率为60%的多孔氮化硅陶瓷基体，用200#、400#、800#SiC砂纸由粗到细逐级打磨至表面平整光滑，抛光处理后放入丙酮溶液中超声清洗15~30min，清洗完毕后放入干燥箱中，在50 ℃~100 ℃下干燥6~10 h；

步骤二、将氧化钇粉、氧化硅粉、氧化铝粉末与纳米Si3N4颗粒按一定比例混合，其中纳米α-Si3N4颗粒的尺寸为20~50 nm，质量分数为20 wt.%，Y2O3、SiO2、Al2O3原料粉末中，各物质质量比为Y2O3:SiO2:Al2O3=(3~6):(2~3):(2~3)，进行机械球磨8~12 h，以丙酮溶液为介质制成致密化涂料，

步骤三、用气动雾化喷枪将制成的致密化涂料均匀的喷涂预处理过的多孔氮化硅陶瓷表面，喷涂次数为3次，保持涂层厚度在50~100 μm之间，

步骤四、将喷涂好的多孔氮化硅陶瓷放入干燥箱中，在100 ℃下干燥6~10 h，

步骤五、将经步骤四处理后的多孔氮化硅陶瓷放入烧结炉中进行烧结，在N2气氛中加热至1600 ℃，保温90 min，得到表面致密化层。烧结过程具体为800 ℃以下升温速率为10 ℃/min，800 ℃~1300 ℃升温速率为5 ℃/min，1300 ℃以上升温和降温速率均为3℃/min，1300 ℃~800 ℃降温速率为5 ℃/min，到达800 ℃之后随炉冷却至室温；

步骤六、将尺寸为10 μm~50 μm，质量分数为8 wt.%的Ti粉与AgCu粉末进行机械球磨4~6 h，得到AgCuTi钎料；

步骤七、钛铝基合金和多孔氮化硅母材的待焊面用200#、400#、800#SiC砂纸进行打磨，并在丙酮溶液中超声清洗15 min~20 min。将球磨后的AgCuTi钎料与预处理后的表面致密化的多孔氮化硅陶瓷和钛铝基合金进行装配，保持钎料粉厚度在200 μm。

步骤八、为保证钎料与母材之间的充分接触，在装配件上方施加2 MPa的轴向压力，将装配好的钎焊接头放入真空炉中，在真空度1×10-2~1×10-4 Pa环境下以升温速率为10 ℃/min加热至900 ℃，保温30 min，再以5 ℃/min的冷却速率冷却至室温。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同点在于步骤一中多孔氮化硅的孔隙率为50%。其它步骤与具体实施例1相同。

实施例4:

本实施例与实施例2的不同点在于步骤二中纳米氮化硅颗粒的质量百分比为15wt.%，步骤六中Ti粉的质量百分比为4 wt.%。其它步骤与具体实施例2相同。

实施例5:

本实施例与实施例2的不同点在于步骤五中烧结温度为1550 ℃，保温时间为75min。其它步骤与具体实施例2相同。

实施例6:

本实施例与实施例1的不同点在于步骤七中钎料粉厚度为100 μm。其它步骤与具体实施例1相同。

实施例7:

本实施例与实施例2的不同点在于步骤八中装配件上方施加的轴向压力为1.5MPa。其它步骤与具体实施例2相同。

实施例8：

本实施例与实施例7的不同点在于步骤八中升温速率为6 ℃/min，保温时间为60min。其它步骤与具体实施例7相同。

实施例9:

本实施例与实施例2的不同点在于步骤八中钎焊工艺参数为钎焊温度为880 ℃，保温时间为20 min，后以3 ℃/min冷却至室温。其它步骤与具体实施例2相同。

实施例10：

本实施例与实施例2的不同点在于步骤八中钎焊工艺参数为钎焊温度为860 ℃，保温时间为10 min，后以3 ℃/min冷却至室温。其它步骤与具体实施例2相同。

实施例11：

本实施例与实施例1的不同点在于步骤八中钎焊工艺参数为钎焊温度为900 ℃，保温时间为10 min，后以5 ℃/min冷却至室温。其它步骤与具体实施例1相同。

实施例12：

本实施例与实施例7的不同点在于步骤八中，钎焊过程中保证炉内真空度为10-4Pa，钎焊升温速率为8 ℃/min，冷却速率为2 ℃/min。其它步骤与具体实施例7相同。

表1。

以上对本发明实施例所提供的一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：多孔陶瓷基体预处理：将多孔陶瓷基体逐级打磨至其表面平整光滑，超声清洗，在50℃～100℃下干燥6～10h，所述多孔陶瓷基体包括多孔氮化硅陶瓷、多孔氮化铝陶瓷、多孔氧化铝陶瓷，多孔陶瓷基体的孔隙率为45%～60%；

步骤2：致密化涂料制备：致密化涂料成分包括氧化钇粉末、氧化硅粉末、氧化铝粉末和纳米α-Si₃N₄颗粒；所述致密化涂料的具体配制方法为将氧化钇粉末、氧化硅粉末和氧化铝粉末按照重量份数为：Y₃O₃：Si0₂：AI₂0₃＝3～6：2～3：2～3制成混合粉末，将所述的混合粉末与纳米α-Si₃N₄颗粒按比例混合制成浆料粉末，所述浆料粉末中纳米α-Si₃N₄颗粒的质量分数为10～20wt.％，颗粒尺寸为20nm～50nm，将所述的浆料粉末机械球磨8～12h，然后以丙酮为介质制成致密化涂料；

步骤3：使用气动雾化喷枪将步骤2中的致密化涂料均匀的喷涂在步骤1中预处理过的多孔陶瓷表面，喷涂次数为2～3次，保持涂层厚度在50～100μm之间，所述的气动雾化喷枪采用压缩空气为气源，气体压力为0.25～0.5Mpa，喷嘴直径为0.3～0.5mm，喷涂宽度15～30mm，喷涂距离50～150mm；

步骤4：将步骤3中将喷涂好的多孔陶瓷放入干燥箱中，在50℃～100℃下干燥6～10h；

步骤5：将步骤4中处理后的多孔陶瓷放入烧结炉中进行烧结，在保护气氛中加热至1600℃，保温90min，烧结过程具体为800℃以下升温速率为10℃/min，800℃-1300℃的升温速率为5℃/min，1300℃以上的升温速率为3℃/min，1300℃-800℃降温速率为5/min，到800℃以后随炉冷却至室温，使喷涂过的表面形成致密化涂层；

步骤6：按照需要进行钎焊的金属与多孔陶瓷的种类选择并制备相应钎料，所述金属包括钛合金、钢、镍基合金，所述钎料包括Ag基钎料、Cu基钎料、Ni基钎料；

步骤7：焊接头装配：将金属和步骤5中完成表面致密化的多孔陶瓷在装配前，其待焊接面用200#、400#、800#砂纸打磨，并在丙酮溶液中超声清洗15min～20min，再将步骤6中制备完成的钎料粉与多孔陶瓷和金属按照：多孔陶瓷、钎料粉、金属的顺序从上而下进行装配，保持钎料粉厚度在200μm之间，所述钎料粉包括Ag基钎料粉、Cu基钎料粉、Ni基钎料粉；

步骤8：将步骤7中装配完成的钎焊接头放入真空炉中，在真空环境下加热至750℃～950℃，保温时间不大于30min，为保证钎料与母材之间的充分接触，在装配件正上方施加0.5MPa～2MPa的轴向压力；钎焊过程中保证炉内真空度为1×10^-2～1×10^-4Pa，钎焊升温速率为5℃／min～10℃／min，冷却速率为1℃／min～5℃／min。

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