CN107540401B - 一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，属于陶瓷与金属连接技术领域。该方法首先将三元层状陶瓷与金属铬进行表面处理后进行研磨、抛光及超声清洗；然后将三元层状陶瓷与金属铬安装在热压炉中，并将热压炉抽真空；当热压炉中的真空度达到5×10^‑2Pa时开始加热，在温度为1000～1200℃、压力为20～30MPa下恒压保温30～90min，使三元层状陶瓷与金属铬进行扩散连接；连接完成后，在原真空条件下降温至200℃，然后撤压。采用本发明方法获得的连接接头界面结合好，可以满足实际应用的需要，从而扩大了三元层状陶瓷钛硅化碳的应用范围。

Description

一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法

技术领域：

本发明属于陶瓷与金属连接技术领域，具体涉及一种三元层状陶瓷钛硅化碳(Ti₃SiC₂)与金属铬(Cr)的扩散连接方法。

背景技术：

Ti₃SiC₂是一种新型的可加工三元层状陶瓷材料。美国陶瓷学会会刊(Journal ofthe American Ceramic Society 79,1953(1996))中研究表明它综合了陶瓷和金属的诸多优点，具有低密度、高模量、高强度、高的电导率和热导率以及易加工等特点，因而Ti₃SiC₂陶瓷是很有希望应用在航空、航天、核工业和电子信息等高技术领域的一种新型结构/功能一体化材料，尤其适合作为高温结构材料。当前，对Ti₃SiC₂陶瓷的合成方法、材料性能进行广泛深入地研究，但是由于不能合成大尺寸或形状复杂的块体材料或构件，使其在实际应用受到限制。陶瓷连接的重要作用之一是提供一种低成本制造形状复杂的部件方法，同时可以提高陶瓷结构的可靠性，并可用于破损陶瓷件的修复。因而，研究Ti₃SiC₂陶瓷的连接不仅具有重要的理论意义，而且具有很高的实用价值。目前为止，有关连接Ti₃SiC₂陶瓷的研究很少，主要集中在陶瓷表面和界面结构研究方面。在材料研究学报(Journal of MaterialsResearch 17,52(2002))中研究了Ti₃SiC₂陶瓷与Ti6Al4V的扩散连接。他们连接得到的接头弯曲强度为100MPa，是Ti₃SiC₂陶瓷弯曲强度的四分之一。

发明内容：

本发明目的在于提供一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，该方法能够获得性能优异的连接接头。

本发明所提供的一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，该扩散连接方法的具体步骤如下：

(1)将三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与金属铬进行表面处理，然后将所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬进行研磨、抛光及超声清洗；然后将处理好的所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬安装在热压炉中，并将所述热压炉抽真空。

(2)当所述热压炉中的真空度达到5×10^-2Pa时开始加热，在温度为1000～1200℃、压力为20～30MPa下恒压保温30～90min，使所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬进行扩散连接。

(3)所述扩散连接完成后，在原真空条件下使所述热压炉降温至200℃，然后撤压。

所述步骤(2)中，以2～5MPa/min的加载速率加压至20～30MPa。

所述步骤(3)中，以5℃/min的降温速率缓慢降温至400℃，然后随炉冷却至200℃。

本发明中提到的压力是指单向压力，加载方向垂直于连接表面。采用本发明获得的接头界面结合好，连接温度低。利用本发明提供的方法，连接后界面生成连续的反应层，没有裂纹、气孔等焊接缺陷，扩大了Ti₃SiC₂陶瓷的应用范围。

附图说明：

图1为Ti₃SiC₂/Cr试样在连接后界面背散射电子像照片；

图2为Ti₃SiC₂/Cr连接后接头不同区域的X射线衍射谱。

图中：图1(a)为Ti₃SiC₂/Cr试样在1000℃连接后界面背散射电子像照片，图1(b)为Ti₃SiC₂/Cr试样在1100℃连接后界面背散射电子像照片；图2(a)为连接后接头靠近Ti₃SiC₂陶瓷区域的X射线衍射谱，图2(b)为连接后接头靠近Cr区域的X射线衍射谱。

具体实施方式：

实施例1：将Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬进行表面处理，Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬经研磨、抛光、超声清洗。然后将处理好的Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬安装在热压炉中并抽真空；当真空度达到5×10^-2Pa时开始加热。在温度为100℃、压力为20MPa，恒压保温90min，扩散连接金属铬和Ti₃SiC₂陶瓷。加载速率5MPa/min。连接结束后，在原真空条件下使热压炉缓慢降温，先是以5℃/min速率降至400℃，然后随炉冷却至200℃后停止抽真空、撤压。用扫描电镜观察连接后界面微观形貌，界面连接良好，没有气孔、裂纹或残余焊接线存在。

实施例2：将Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬进行表面处理，Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬经研磨、抛光、超声清洗。然后将处理好的Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬安装在热压炉中并抽真空；当真空度达到5×10^-2Pa时开始加热。在温度为1100℃、压力为20MPa，恒压保温60min，扩散连接金属铬和Ti₃SiC₂陶瓷。加载速率5MPa/min。连接结束后，在原真空条件下使热压炉缓慢降温，先是以5℃/min速率降至400℃，然后随炉冷却至200℃后停止抽真空、撤压。用扫描电镜观察连接后界面微观形貌，界面连接良好，没有气孔、裂纹或残余焊接线存在。

实施例3：将Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬进行表面处理，Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬经研磨、抛光、超声清洗。然后将处理好的Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬安装在热压炉中并抽真空；当真空度达到5×10^-2Pa时开始加热。在温度为1200℃、压力为20MPa，恒压保温30min，扩散金属铬和Ti₃SiC₂陶瓷。加载速率5MPa/min。连接结束后，在原真空条件下使热压炉缓慢降温，先是以5℃/min速率降至400℃，然后随炉冷却至200℃后停止抽真空、撤压。用扫描电镜观察连接后界面微观形貌，界面连接良好，没有气孔、裂纹或残余焊接线存在。接头剪切强度达到121MPa。

图1为Ti₃SiC₂/Cr试样在1000℃(a)和1100℃(b)连接后界面背散射电子像照片。由图可见界面生成连续的反应相，界面成型良好，没有气孔、裂纹和残余焊接线的存在。图2为连接后接头不同区域的X射线衍射谱(a、靠近Ti₃SiC₂陶瓷，b、靠近Cr)。在靠近Ti₃SiC₂陶瓷一侧反应层的组成相是TiC_x、Cr₃Si、Cr₅Si₃、Cr₃C₂、Cr₇C₃，靠近金属Cr一侧反应层的组成相是Cr₃Si、Cr₅Si₃、Cr(Si)固溶体。

由实施例1、实施例2和实施例3，本发明提供的扩散连接方法是一种有效的连接Ti₃SiC₂陶瓷和金属铬，并能获得优质接头的连接方法。

Claims (3)

1.一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，其特征在于该扩散连接方法的具体步骤如下：

(1)将三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与金属铬进行表面处理，然后将所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬进行研磨、抛光及超声清洗；然后将处理好的所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬安装在热压炉中，并将所述热压炉抽真空；

(2)当所述热压炉中的真空度达到5×10^-2Pa时开始加热，在温度为1000～1200℃、压力为20～30MPa下恒压保温30～90min，使所述三元层状陶瓷Ti₃SiC₂与所述金属铬进行扩散连接；

(3)所述扩散连接完成后，在原真空条件下使所述热压炉降温至200℃，然后撤压。

2.根据权利要求1所述的一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，其特征在于所述步骤(2)中，以2～5MPa/min的加载速率加压至20～30MPa。

3.根据权利要求1所述的一种三元层状陶瓷钛硅化碳与金属铬的扩散连接方法，其特征在于所述步骤(3)中，以5℃/min的降温速率缓慢降温至400℃，然后随炉冷却至200℃。

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