CN109759665B - 一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法 - Google Patents
一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，它涉及一种陶瓷与金属的钎焊连接方法。本发明旨在解决现有陶瓷与金属钎焊接头残余应力大，强度低的问题。本发明方法：在泡沫铜表面化学镀镍硼合金，然后将其与钎料箔片一起作为复合中间层置于被焊陶瓷和金属之间，组成待焊件，放入真空烧结炉中焊接，即完成陶瓷与金属的连接。本发明通过在泡沫铜表面制备镍硼合金镀层的方法引入三维硼源，使TiB晶须在焊缝中呈三维网状分布，更加有效地缓解接头应力，增加接头韧性，从而提高接头强度。本方法得到的接头强度可高达80～165Mpa，比普通钎焊陶瓷‑金属接头提高20～80％。本发明应用于航空航天，电子器件和新能源领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷/金属接头制备方法。
背景技术
陶瓷材料因具有较高的强度、硬度以及良好的耐高温、耐腐蚀和耐磨性而广泛应用于航空航天，电子器件和新能源领域。然而陶瓷脆性高，不易加工成复杂构件和大型构件，在一定程度上限制了其在工业中的应用。实现陶瓷与金属的可靠连接可以发挥陶瓷与金属各自物理性能上的优势，进一步拓展陶瓷的应用领域和范围。工业中，通常采用活性钎焊技术连接陶瓷和金属，通过在钎料中添加活性元素，如Ti、Zr、Ni等，促进钎料在陶瓷表面的润湿铺展。该方法虽然可以获得较好的冶金结合，但是由于金属和陶瓷物理性质差异较大，焊后残余应力集中于接头附近，易造成陶瓷脆断。近些年来，有报道在活性钎焊过程中引入原位合成技术，制备出TiB晶须增强的陶瓷/金属接头。TiB晶须具有较低的热膨胀系数和较高的模量，可以有效调节接头应力，提高接头强度。但是采用该方法制备的TiB晶须分布不易控制。连续、密集分布的TiB在一定程度上增加了接头脆性，给服役的接头带来隐患。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前制备的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头存在TiB晶须分布不易控制，连续、密集分布的TiB在一定程度上增加了接头脆性的问题，而提供了一种原位合成TiB网状增强的陶瓷/金属连接方法。本发明通过在泡沫铜上进行化学镀镍硼合金，在复合中间层中引入了三维分布的硼源，从而在焊接过程中获得三维分布的TiB晶须。
本发明的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、泡沫铜表面化学镀Ni-B合金
1)化学镀前对泡沫铜进行预处理：首先在丙酮中超声清洗5～10min，然后用去离子水冲洗，之后浸泡于5vol.％的硝酸溶液0.5～3min活化表面，最后用去离子水冲洗；
2)Ni-B合金化学镀过程：将预处理好的泡沫铜吊挂于化学镀镍液中施镀，镀液温度90～97℃，施镀时间为20min～1.5h，施镀过程中加磁力搅拌以排除样品表面产生的气泡；
其中，镀液的配方：NiCl2·6H2O：0.1mol/L，(CH2)2(NH2)2：0.9mol/L，NaOH：0.98mol/L，PbCl2：4.3×10-5mol/L，NaBH4：0.013mol/L；
泡沫铜是开孔泡沫铜，泡沫铜孔洞大小为30μm～1mm，孔隙率为60％～95％，厚度为50～300μm；
二、焊接样品前处理
分别对陶瓷基体焊接样品和金属基体焊接样品进行前处理；其中，陶瓷基体焊接样品用2000#的金刚石砂盘对其表面进行打磨，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
金属基体焊接样品采用800#、1000#、1200#砂纸逐级打磨表面，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；钎料箔片浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
三、陶瓷与金属的焊接
将待焊陶瓷、金属、镀Ni-B泡沫铜、钎料箔片组装成焊件；组装顺序为：陶瓷基体/钎料箔片/镀Ni-B泡沫铜/钎料箔片/金属基体，将待焊件置于真空钎焊炉中，施加2～5kPa压力，抽真空低于1×10-3Pa，然后以10℃/min的速度升温至700℃，保温10min，再以5℃/min的速度升温至钎焊温度，保温5～20min；然后以10℃/min的速度降温至500℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述的具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备。
本发明的方法原理：
在化学镀的过程中，以下反应在具有催化活性的泡沫铜铜网表面进行：
4NiCl2+NaBH4+8NaOH→4Ni+NaBO2+8NaCl+6H2OΔG298K＝-664.8kJ·mol-1
2NaBH4+2H2O→2B+2NaOH+5H2↑
ΔG298K＝-117.9kJ·mol-1
化学镀后的泡沫铜表面附着三维网状结构的Ni-B合金。
在焊接过程中，当温度高于共晶温度，钎料箔片熔化成液相。熔融钎料渗入泡沫铜的孔洞中。随着温度的升高，泡沫铜中的铜网逐渐被溶解，Ni-B合金剥离，随后硼原子扩散进入液态合金，生成准连续反应层。同时，钎料液相与钛合金基体发生反应，部分Ti原子扩散进入焊缝。溶解的Ti原子进一步与富硼反应层反应，最终生成具有三维网状分布的TiB晶须网络。
本发明的TiB晶须具有低的热膨胀系数和较高的模量，TiB热膨胀系数α＝8.0×10-6K-1，TiB弹性模量E＝482GPa，在接头中原位合成TiB不仅可以减少陶瓷与金属基体之间热膨胀系数的不匹配，而且可以起到裂纹偏转的作用，增加接头韧性。本发明方法获得的接头强度可高达80～165Mpa，比普通钎焊陶瓷-金属接头提高20～80％。
附图说明
图1为本发明的陶瓷/金属待焊件组装示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、泡沫铜表面化学镀Ni-B合金
1)化学镀前对泡沫铜进行预处理：首先在丙酮中超声清洗5～10min，然后用去离子水冲洗，之后浸泡于5vol.％的硝酸溶液0.5～3min活化表面，最后用去离子水冲洗；
2)Ni-B合金化学镀过程：将预处理好的泡沫铜吊挂于化学镀镍液中施镀，镀液温度90～97℃，施镀时间为20min～1.5h，施镀过程中加磁力搅拌以排除样品表面产生的气泡；
其中，镀液的配方：NiCl2·6H2O：0.1mol/L，(CH2)2(NH2)2：0.9mol/L，NaOH：0.98mol/L，PbCl2：4.3×10-5mol/L，NaBH4：0.013mol/L；
泡沫铜是开孔泡沫铜，泡沫铜孔洞大小为30μm～1mm，孔隙率为60％～95％，厚度为50～300μm；
三、焊接样品前处理
分别对陶瓷基体焊接样品和金属基体焊接样品进行前处理；其中，陶瓷基体焊接样品用2000#的金刚石砂盘对其表面进行打磨，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
金属基体焊接样品采用800#、1000#、1200#砂纸逐级打磨表面，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；钎料箔片浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
三、陶瓷与金属的焊接
将待焊陶瓷、金属、镀Ni-B泡沫铜、钎料箔片组装成焊件；组装顺序为：陶瓷基体/钎料箔片/镀Ni-B泡沫铜/钎料箔片/金属基体，将待焊件置于真空钎焊炉中，施加2～5kPa压力，抽真空低于1×10-3Pa，然后以10℃/min的速度升温至700℃，保温10min，再以5℃/min的速度升温至钎焊温度，保温5～20min；然后以10℃/min的速度降温至500℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述的具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的陶瓷基体为氧化物陶瓷。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不同的是：氧化物陶瓷为Al2O3或ZrO2。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：金属基体为钛合金。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：钛合金为Ti6Al4V、TiAl或Ti2AlNb。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：钎料箔片为AgCu合金或AgCuTi合金，厚度为100～200μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的钎焊温度为860～920℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中待焊件以10℃/min的速度升温至700℃，并保温10min后，以5℃/min的速度升温至920℃，保温5min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：泡沫铜孔洞厚度为100μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：施镀时间为30min～1.5h。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，是按照以下步骤进行的：
一、采用200μm厚、孔洞孔径约为50μm的泡沫铜。首先，将泡沫铜在丙酮中超声清洗5min，去离子水冲洗表面，之后浸泡于5vol.％的硝酸溶液5min，最后用去离子水冲洗。在泡沫铜表面化学镀镍硼合金，施镀时间1.5小时，镀液温度95℃，其中Ni-B合金层中B含量为3.7wt％。镀液成分：NiCl2·6H2O：0.1mol/L；(CH2)2(NH2)2：0.9mol/L；NaOH：0.98mol/L；PbCl2：4.3×10-5mol/L；NaBH4：0.013mol/L；
二、对于氧化铝陶瓷基体，用2000#的金刚石砂盘对其表面进行打磨，浸入丙酮中超声清洗5min，晾干待用。对Ti6Al4V基体，采用800#、1000#、1200#砂纸逐级打磨表面，浸入丙酮中超声清洗5min，晾干待用。采用两片100μm厚AgCu箔片作为钎料，浸入丙酮中超声清洗5min，晾干待用。
三、将氧化铝陶瓷基体，Ti6Al4V基体，化学镀后的泡沫铜，AgCu箔片组装成待焊件，组装顺序为：氧化铝基体/AgCu箔片/化学镀Ni-B泡沫铜/AgCu箔片/Ti6Al4V基体，焊件示意图如图1所示。将待焊件置于真空钎焊炉中，施加3.2kPa压力，先抽真空至1×10-3Pa，以10℃/min的速度升温至700℃，保温10min；再以10℃/min的速度升温至880℃，保温5min；之后以10℃/min的速度降温至500℃，后随炉冷却至室温，完成焊接操作。
通过本实施例方法获得的接头剪切强度可高达80～165Mpa，比普通钎焊陶瓷-金属接头提高20～80％。
Claims (9)
1.一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、泡沫铜表面化学镀Ni-B合金
1)化学镀前对泡沫铜进行预处理：首先在丙酮中超声清洗5～10min，然后用去离子水冲洗，之后浸泡于5vol.％的硝酸溶液0.5～3min活化表面，最后用去离子水冲洗；
2)Ni-B合金化学镀过程：将预处理好的泡沫铜吊挂于化学镀镍液中施镀，镀液温度90～97℃，施镀时间为20min～1.5h，施镀过程中加磁力搅拌以排除样品表面产生的气泡；
其中，镀液的配方：NiCl2·6H2O：0.1mol/L，(CH2)2(NH2)2：0.9mol/L，NaOH：0.98mol/L，PbCl2：4.3×10-5mol/L，NaBH4：0.013mol/L；
泡沫铜是开孔泡沫铜，泡沫铜孔洞大小为30μm～1mm，孔隙率为60％～95％，厚度为50～300μm；
二、焊接样品前处理
分别对陶瓷基体焊接样品和金属基体焊接样品进行前处理；其中，陶瓷基体焊接样品用2000#的金刚石砂盘对其表面进行打磨，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
金属基体焊接样品采用800#、1000#、1200#砂纸逐级打磨表面，浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；钎料箔片浸入丙酮中超声清洗5min，取出烘干；
三、陶瓷与金属的焊接
将待焊陶瓷、金属、镀Ni-B泡沫铜、钎料箔片组装成焊件；组装顺序为：陶瓷基体/钎料箔片/镀Ni-B泡沫铜/钎料箔片/金属基体，将待焊件置于真空钎焊炉中，施加2～5kPa压力，抽真空低于1×10-3Pa，然后以10℃/min的速度升温至700℃，保温10min，再以5℃/min的速度升温至钎焊温度，保温5～20min；然后以10℃/min的速度降温至500℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述的具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备；金属基体为钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于所述的陶瓷基体为氧化物陶瓷。
3.根据权利要求2所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于氧化物陶瓷为Al2O3或ZrO2。
4.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于钛合金为Ti6Al4V、TiAl或Ti2AlNb。
5.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于钎料箔片为AgCu合金或AgCuTi合金，厚度为100～200μm。
6.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于步骤三中的钎焊温度为860～920℃。
7.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于步骤三中待焊件以10℃/min的速度升温至700℃，并保温10min后，以5℃/min的速度升温至920℃，保温5min。
8.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于泡沫铜孔洞厚度为100μm。
9.根据权利要求1所述的一种具有三维网状分布的TiB晶须增强的陶瓷/金属接头制备方法，其特征在于施镀时间为30min～1.5h。
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