CN109851387A - 一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法，通过增材制造形成陶瓷基体表面层宏微结构，通过精密铸造浇注金属，实现陶瓷基体与金属的界面冶金结合、结构铰接和整体复杂结构成形，达成成形构件具备陶瓷和金属双性能指标，且结合区强度不小于陶瓷或金属相。适用于研制具有复杂曲面结构的陶瓷/金属双性构件，包括但不限于火箭发动机尾喷管、坦克装甲层等；该方法弥补了传统制备方法陶瓷/金属结合强度不足、复合层脱落、长期蠕变开裂的缺陷，能增大金属和陶瓷一体化构件结合区的强度，并提升构件长期服役的可靠性和稳定性。

Description

一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法

技术领域

本发明属于增材制造和精密浇注技术领域，具体涉及一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法。

背景技术

金属/陶瓷异种材料的连接主要有机械连接、胶接(也称粘接)和焊接等方法。金属/陶瓷机械连接的接头强度低、气密性差，无法满足极端环境下的使用要求，工程应用非常少。胶接虽然改善了接头的气密性，但是胶接接头的强度较低、使用温度也非常低。与机械连接和胶接相比，焊接能够获得高强度、耐高温且具有良好气密性的接头，由于焊接对试件几何形状及尺寸要求不高，其适用范围更广。目前适用于陶瓷与金属的连接的方法主要有钎焊、扩散焊、瞬时液相扩散连接、摩擦焊、自蔓延高温合成等。

传统陶瓷/金属复合材料构件制造原理是陶瓷与金属平界面冶金反应连接，该方法制造出来的样品接头强度仅为25MPa，而且在冷却过程中会引起很大的残余应力，并因此降低了接头强度。

陶瓷/金属复合材料的共性目标聚焦于陶瓷和金属结合区强度、可靠性、稳定性的提升，常见的失效形式包括冲击碎裂、蠕变裂纹、复合层脱落等都会降低陶瓷和金属构件的可靠性和稳定性，这些失效行为已成为新型复合材料应用所面临的一项亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于改善传统的陶瓷/金属复合材料构件的成型方法，将光固化凝胶注模技术与精密铸造浇注金属技术相结合，提高陶瓷/金属连接头的强度。

本发明采用如下技术路线：

一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，包括陶瓷基体和金属实体，陶瓷基体和金属实体之间设置有连接层，连接层包括若干相互交错的骨架，骨架之间具有孔隙，连接层的孔隙中填充有和金属实体的材质相同的金属。

进一步的，陶瓷基体与金属实体连接的表面上沉积有金属覆膜层。

进一步的，金属覆膜层由能与金属实体的材料形成金属原子互溶的金属材料沉积得到。

进一步的，连接层和陶瓷基体为一体成型结构。

一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对要制备的陶瓷和金属一体化构件进行三维建模设计，并在陶瓷模型表面设计连接层，得到表面有连接层的陶瓷模型，连接层包括若干交错设置的骨架，骨架之间具有孔隙；

步骤2、根据步骤1设计好的表面有连接层的陶瓷模型制备出陶瓷实体，陶瓷实体包括陶瓷基体和连接在陶瓷基体表面的连接层；

步骤3、以表面有连接层的陶瓷实体为基体，在基体上制备精密铸造型壳；

步骤4、在陶瓷基体外表面制备金属覆膜层；

步骤5、在步骤3制得的精密铸造型壳下部的陶瓷实体上浇注金属，使金属液包覆陶瓷实体上部的连接层，形成陶瓷双相区的冶金结合，继续浇注金属溶液，直至金属实体的厚度达到设计值；

步骤6、去除步骤3制得的精密铸造型壳，从而得到金属和陶瓷一体化构件。

进一步的，步骤2中，制备陶瓷实体所用材料为氧化铝基陶瓷，氧化铝基陶瓷的原料为氧化铝抛光粉，氧化铝抛光粉纯度大于或等于99.9wt％。

进一步的，步骤3中，精密铸造型壳所用材料为氧化铝基陶瓷，氧化铝基陶瓷的原料为氧化铝粉，其纯度大于或等于75wt％。

进一步的，步骤3中的陶瓷基体和步骤4中的精密铸造型壳的制备方法均为凝胶注模。

进一步的，步骤4中，采用物理气相沉积或化学蒸汽沉积的方法在陶瓷基体的表面制备出金属覆膜层。

进一步的，步骤5中，浇注金属所用材料为能与金属覆膜层的金属原子之间相互扩散，形成金属原子互溶的合金材料。

与现有技术相比，本发明提出陶瓷和金属双性能材料在连接层的结构铰合和界面冶金结合的耦合增强机理，至少具有以下有益的技术效果：

1)陶瓷基体表面的空间结构可成百倍扩大陶瓷和金属的冶金结合截面，抑制单相性能突变，如热膨胀系数，弹性模量等，使结合区更加稳定。

2)陶瓷基体表面的空间结构可以将可能出现的裂纹源或微裂纹分散于微细结合界面，不同微细相的钉扎作用，抑制宏观裂纹扩延，提高材料结合面强度和韧性。

3)陶瓷基体表面有了具有空间结构的连接层后，可以根据对象需求，任意调控金属覆膜层的厚度，实现成分和性能的平缓过渡，尤其对陶瓷和金属热膨胀系数大造成的蠕变裂纹有明显抑制作用。

4)用凝胶注模的制备方法可自由设计连接区复杂的铰合结构，如仿生铰合结构或拓扑铰合结构，通过增材制造整体无模化成型。

附图说明

图1为金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法的流程图；

图2为零件模型示意图；

图3为陶瓷基体表面的空间结构示意图；

图4为金属实体与陶瓷基体结合后的结构透视图；

图5为陶瓷基体表面与连接层连接处的放大图；

附图中：1、陶瓷基体，2、金属覆膜层，3、金属实体，5、连接层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图2至图5，一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，包括陶瓷基体1和金属实体3，陶瓷基体1和金属实体3之间设置有连接层5，连接层5包括若干交错设置的骨架，骨架之间具有孔隙，连接层5的孔隙中填充有和金属实体3的材质相同的金属。连接层5和陶瓷基体1为一体成型结构。陶瓷基体1与金属实体3连接的表面上设置有金属覆膜层2。金属覆膜层2由能与金属实体3的材料形成金属原子互溶的金属材料。

参照图1，一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对要制备的陶瓷/金属一体化构件进行三维建模，并对其中的陶瓷模型进行表面结构优化设计，得到表面有连接层5的陶瓷模型；设计方法包括但不限于拓扑结构优化、仿生结构优化等；使陶瓷模型表面具有连接层5，连接层5为空间阵列结构，包括若干交错设置的骨架，骨架之间形成孔隙，空间阵列结构包括但不限于锯齿结构、棒状结构等各种可以增大陶瓷表面积并能形成结构铰合作用的结构；例如图5所示，包括自外向里依次间隔设置的若干层骨架层，每一层骨架层由骨架交错形成，骨架之间的孔隙呈阵列布置，所有骨架的上端阵列布置，且所有骨架形成的孔隙阵列布置。

步骤2、根据设计好的表面有空间阵列结构的陶瓷模型，采用凝胶注模的方法成型出陶瓷实体，使得成形的陶瓷实体表面具有连接层5；

步骤3、以陶瓷实体为基体，并采用凝胶注模方法制备精密铸造型壳，陶瓷实体与精密铸造型壳形成装配模式，装配是凝胶注模的时候直接形成的，并用高温陶瓷胶粘接陶瓷实体和精密铸造型壳；

步骤4、采用物理气相沉积(PVD)或化学蒸汽沉积(CVD)对陶瓷表面的结合区进行预合金化处理，制备出金属覆膜层2；

步骤5、在精密铸造型壳中的陶瓷表面上方浇注金属，使金属液熔深包覆陶瓷表面的连接层5，形成结构铰接，并形成陶瓷双相区的冶金结合，并使金属实体3的高度达到设计值；

步骤6、用吹沙法去除步骤3制得的精密铸造型壳，从而得到金属和陶瓷一体化构件。

步骤2中，成型陶瓷样品所用材料为氧化铝基陶瓷，原料为氧化铝高级抛光粉，其纯度大于或等于99.9wt％。陶瓷材料包含但不限于氧化铝基陶瓷、氧化钙基陶瓷、氧化锆基陶瓷、碳化硅基陶瓷等各种陶瓷材料。

步骤3中，陶瓷实体必须经过1200～1500摄氏度的高温焙烧而具有强度，烧结后陶瓷基体表面比较平整，显微组织结构均匀，表面形成微细孔洞结构。

步骤3中，成型精密铸造用模壳所用材料为氧化铝基陶瓷，原料为普通氧化铝粉，其纯度大于或等于75wt％。

步骤3中，陶瓷基体1和精密铸造型壳的成型方法为凝胶注模。该方法首先制备预混液，之后制备浇注浆料，注模成型实体后，在室温下放置24小时，待实体缩水后再进行脱模，最后进行烘干和烧结得到实体。

步骤4中，金属覆膜层2所用的材料包含但不限于铬、银、钛、镍等各种可以改善陶瓷表层结合条件，并能与浇注的合金金属原子之间相互扩散，形成金属原子互溶的金属材料。

步骤5中，浇注金属所用材料包含但不仅限于高温合金、铌基合金、不锈钢、钛合金等各种能与金属覆膜层的金属原子之间相互扩散，形成金属原子互溶的合金材料。

步骤5中，金属和陶瓷双相区的冶金结合和结构铰合作用，其本质是引入物理和化学两种结合力，实现结合区的双增强效果。

火箭发动机喷管是用于火箭发动机的一种(通常是渐缩渐阔喷管)推力喷管。它用于膨胀并加速由燃烧室燃烧推进产生的燃气，使之达到超高音速。

喷嘴的外形为钟罩形或锥形，在高温，高压的恶劣环境下，对尾喷管的材料提出很高的要求，这种材料不但需要有极好的耐高温性，需要经受住2000℃到3500℃的高温，还需要有极好的耐冲击性，灼热表面的超高速加热的热冲击，还有高热引起的热梯度应力，有较好的刚度，耐氧化性和耐热疲劳性。因此，先进的发动机尾喷管必须采用金属/陶瓷整体构件，其特点为在燃烧室附近采用耐温高、强韧性好的Nb基高温合金，而在锥形外缘则采用耐温高、耐氧化的SiC陶瓷。

喷管的制造属于典型的金属和陶瓷异种材料连接问题。根据本发明内容，首先对已建好的钟罩部分的三维模型进行凝胶注模，再用凝胶注模的方法得到精密铸造型壳，用沉积法获得金属覆膜层后，最后对靠近燃烧室的部分进行金属浇注，从而得到火箭发动机喷管。

本发明通过精密铸造浇注金属，实现陶瓷基体与金属的界面冶金结合(微观)、结构铰接(介观)和整体复杂结构成形(宏观)，达成成形构件具备陶瓷和金属双性能指标，且结合区强度不小于陶瓷或金属相的强度。本发明适用于研制具有复杂曲面结构的陶瓷/金属双性构件，包括但不限于火箭发动机尾喷管、坦克装甲层等；该方法弥补了传统制备方法陶瓷/金属结合强度不足、复合层脱落、长期蠕变开裂的缺陷，能增大金属和陶瓷一体化构件结合区的强度，并提升构件长期服役的可靠性和稳定性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，包括陶瓷基体(1)和金属实体(3)，陶瓷基体(1)和金属实体(3)之间设置有连接层(5)，连接层(5)包括若干相互交错的骨架，骨架之间具有孔隙，连接层(5)的孔隙中填充有和金属实体(3)的材质相同的金属。

2.根据权利要求1所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，陶瓷基体(1)与金属实体(3)连接的表面上沉积有金属覆膜层(2)。

3.根据权利要求2所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，金属覆膜层(2)由能与金属实体(3)的材料形成金属原子互溶的金属材料沉积得到。

4.根据权利要求1所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，连接层(5)和陶瓷基体(1)为一体成型结构。

5.一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对要制备的陶瓷和金属一体化构件进行三维建模设计，并在陶瓷模型表面设计连接层(5)，得到表面有连接层(5)的陶瓷模型，连接层(5)包括若干交错设置的骨架，骨架之间具有孔隙；

步骤2、根据步骤1设计好的表面有连接层(5)的陶瓷模型制备出陶瓷实体，陶瓷实体包括陶瓷基体(1)和连接在陶瓷基体(1)表面的连接层(5)；

步骤3、以表面有连接层(5)的陶瓷实体为基体，在基体上制备精密铸造型壳；

步骤4、在陶瓷基体(1)外表面制备金属覆膜层(2)；

步骤5、在步骤3制得的精密铸造型壳下部的陶瓷实体上浇注金属，使金属液包覆陶瓷实体上部的连接层(5)，形成陶瓷双相区的冶金结合；然后继续浇注金属溶液，制备金属实体(3)；

步骤6、去除步骤3制得的精密铸造型壳，从而得到金属和陶瓷一体化构件。

6.根据权利要求5所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，步骤2中，制备陶瓷实体所用材料为氧化铝基陶瓷，氧化铝基陶瓷的原料为氧化铝抛光粉，氧化铝抛光粉纯度大于或等于99.9wt％。

7.根据权利要求5所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，步骤3中，精密铸造型壳所用材料为氧化铝基陶瓷，氧化铝基陶瓷的原料为氧化铝粉，其纯度大于或等于75wt％。

8.根据权利要求5所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，步骤3中的陶瓷基体(1)和步骤4中的精密铸造型壳的制备方法均为凝胶注模。

9.根据权利要求5所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，步骤4中，采用物理气相沉积或化学蒸汽沉积的方法在陶瓷基体(1)的表面制备出金属覆膜层(2)。

10.根据权利要求5所述的一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，其特征在于，步骤5中，浇注金属所用材料为能与金属覆膜层(2)的金属原子之间相互扩散，形成金属原子互溶的合金材料。