CN110508892A - 一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法 - Google Patents

Abstract

一种ZrC‑SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，本发明涉及陶瓷和金属的连接领域，旨在解决金属/陶瓷接头残余热应力高、接头强度低、韧性差等问题。本发明方法：本发明采用商用泡沫Ni压缩制备高密度多孔中间层，利用Ti‑Ni接触反应形成的瞬时液相连接陶瓷和多孔中间层，与此同时，利用元素的高温互扩散，实现不锈钢和多孔中间层的固相冶金连接。采用本方法制备的接头抗剪强度比使用相同厚度的镍箔中间层提高了21％‑55％，接头断裂能提高了82％～121％，且接头的断裂模式由脆性断裂向韧性断裂转变。

Description

一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法

技术领域

本发明属于陶瓷和金属的连接领域，特别涉及一种奥氏体不锈钢和ZrC-SiC复合陶瓷的连接方法。

背景技术

ZrC-SiC复合陶瓷具有高熔点、高硬度、高电导率/热导率和良好的化学稳定性，在超高温陶瓷领域备受关注，有望应用于极端化学和热环境，如航天航空、核能、电子工业等领域。但是，受陶瓷本征脆性和烧结工艺的限制，制备大尺寸、复杂结构的陶瓷组件价格高昂且工艺复杂。因此，工业中常需要将陶瓷与金属进行连接，制备具有特定性能的复合构件。奥氏体不锈钢具有高强度、高延展率和良好的抗腐蚀能力，是工业中应用最为广泛的结构材料之一。积极开发ZrC-SiC复合陶瓷与奥氏体不锈钢的连接技术对于推动其在工程领域的应用具有重要意义。

然而，奥氏体不锈钢的热膨胀系数约为ZrC-SiC陶瓷的3倍，焊接过程产生的较大残余应力会导致接头强度低、可靠性差。为缓解接头应力，通常采用软性中间层协调变形，调节应力分布。与传统金属箔片相比，泡沫金属具有更优异的塑性变形能力和更低的流变应力，可以更好的通过变形缓解接头应力。但是由于普通泡沫金属强度过低，不适宜直接作为焊接中间层。因此，开发出一种强度理想，变形能力强的泡沫金属是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决泡沫金属作为焊接中间层焊接ZrC-SiC复合陶瓷与奥氏体不锈钢过程中，存在力学性能差的问题。而提供了一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法。

本发明的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、使用厚度为3～7.5mm、孔隙率为98.5％、孔洞直径为100-500μm的开孔泡沫Ni作为原始材料；将原始泡沫Ni置入丙酮中超声清洗15min，在空气中烘干；将烘干后的原始材料压至孔隙率为35～70％的泡沫Ni中间层；

二、使用含体积分数为10～30％SiC的ZS陶瓷作为陶瓷基体，使用400#、800#、1200#、2000#的金刚石磨盘逐级打磨待连接表面；使用奥氏体不锈钢作为金属基体，依次使用400#、800#、1200#、2000#、3000#的SiC砂纸逐级打磨待连接表面；使用厚度为10μm的Ti箔片作为中间层；将陶瓷基体、金属基体以及Ti箔片放入丙酮中超声清洗10min后，在空气中烘干备用；

三、将步骤一和二得到的基体和中间层材料按照奥氏体不锈钢/泡沫Ni中间层/Ti/ZS陶瓷的顺序组装待焊件，金属、陶瓷基体经打磨的表面分别与泡沫Ni中间层、Ti箔片相接触；将待焊件放入真空扩散焊炉中，施加压力0.5～1MPa；将炉内真空抽至5×10^-4-1×10^-3Pa后，以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温5min，再以7℃/min升至连接温度960～1000℃保温60～300min；保温阶段结束后，以10℃/min降至400℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述焊接过程。

本发明提出一种采用压缩泡沫镍和Ti箔作为中间层瞬时液相扩散连接ZrC-SiC陶瓷和奥氏体不锈钢的方法。通过Ti-Ni接触反应产生的瞬时液相连接陶瓷和泡沫镍中间层，通过固相扩散连接泡沫镍和不锈钢。该方法不仅利用泡沫镍中间层良好的塑性变形能力有效缓解接头应力，同时通过泡沫镍在焊接过程中的结构重构显著增加了接头强度。

本发明方法原理如下：

陶瓷和金属的连接中主要包括以下两个连接界面的形成：

1)陶瓷/泡沫Ni中间层连接界面的形成：该界面的形成通过Ti-Ni瞬时液相扩散连接法实现。在陶瓷一侧存在Ti-Ni反应界面，当温度高于942℃时，Ti-Ni反应产生共晶液相；液相中活性元素Ti和Ni与陶瓷发生反应，促进了液相在陶瓷表面的润湿和铺展；同时，由于中间层体系为富Ni体系，Ni向共晶液相中的溶解，使得液相偏离共晶成分而逐渐固化为反应层，从而实现了陶瓷与泡沫Ni中间层的连接。此外，在保温过程中，元素的相互扩散促进了该界面成分的均匀化和陶瓷表面的反应，从而提高了接头使用温度和界面结合强度。

2)金属/泡沫Ni中间层连接界面的形成：该界面的形成通过扩散连接法实现。在连接过程中，在温度和压力共同作用下，泡沫Ni中间层和金属基体相互接触并发生元素扩散，经过较长时间的保温扩散后，形成扩散连接界面。

陶瓷/金属接头的应力缓解和韧化机制如下：

1)接头应力缓解机制：由于中间层的泡沫结构，金属和中间层的连接界面呈现不连续连接模式，且中间层具有更好的塑性变形能力，从而有利于缓解接头应力；

2)接头韧化机制：在连接过程中，泡沫Ni中间层内部的Ni丝之间相互接触并发生互扩散，实现了相互连接，提高了中间层强度并在中间层内部形成了众多的扩散界面。在抗剪切实验时，其内部连接界面的发生分离，吸收接头的弹性应变能，从而避免应力集中；在失效过程中，Ni丝之间通过脱离、滑动、变形等方式抵御外部载荷，使得接头失效过程可控，提高了接头韧性。

接头应力的缓解和中间层的韧化作用提高了接头的力学性能，其抗剪强度相比与使用同等厚度的Ni箔片提高了21％-55％，接头断裂能提高了82％-121％，且接头的断裂模式由脆性断裂向韧性断裂转变。

附图说明

图1为本发明待焊件组装示意图；

图2为实施例1制备的304SS/ZrC-SiC接头截面的扫描电子显微图像；

图3为实施例1中的中间层和陶瓷界面的微观组织图；

图4为实施例1中的中间层和金属界面的微观组织图；

图5为实施例1的接头在剪切实验过程中的位移-载荷曲线图；其中，A为采用Ni箔片接头的抗剪切曲线图，B为采用泡沫Ni接头的抗剪切曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、使用厚度为3～7.5mm、孔隙率为98.5％、孔洞直径为100-500μm的开孔泡沫Ni作为原始材料；将原始泡沫Ni置入丙酮中超声清洗15min，在空气中烘干；将烘干后的原始材料压至孔隙率为35～70％的泡沫Ni中间层；

二、使用含体积分数为10～30％SiC的ZS陶瓷作为陶瓷基体，使用400#、800#、1200#、2000#的金刚石磨盘逐级打磨待连接表面；使用304不锈钢作为金属基体，依次使用400#、800#、1200#、2000#、3000#的SiC砂纸逐级打磨待连接表面；使用厚度为10μm的Ti箔片作为中间层；将陶瓷基体、金属基体以及Ti箔片放入丙酮中超声清洗10min后，在空气中烘干备用；

三、将步骤一和二得到的基体和中间层材料按照奥氏体不锈钢/泡沫Ni中间层/Ti/ZS陶瓷的顺序组装待焊件，金属、陶瓷基体经打磨的表面分别与泡沫Ni中间层、Ti箔片相接触；将待焊件放入真空扩散焊炉中，施加压力0.5～1MPa；将炉内真空抽至5×10^-4-1×10^-3Pa后，以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温5min，再以7℃/min升至连接温度960～1000℃保温60～300min；保温阶段结束后，以10℃/min降至400℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述焊接过程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：泡沫Ni中间层的孔隙率为40-60％，该中间层使用厚度为3-6mm的原始泡沫Ni压缩制备而成。

其它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点在于：ZS陶瓷中的SiC的体积分数为20-30％。

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点在于：在连接温度960℃下，保温60-300min。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点在于：连接温度980-1000℃。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点在于：奥氏体不锈钢为316不锈钢或304不锈钢。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点在于：制备所得的泡沫Ni中间层厚度为100-300μm。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点在于：制备所得的泡沫Ni中间层厚度为200-300μm。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

本实施例所述的低应力瞬时液相扩散连接方法是按照以下步骤进行：

一、使用厚度为6mm，孔隙率为98.5％，孔洞直径为100-500μm的开孔泡沫Ni作为原始材料；将原始泡沫Ni置入丙酮中超声清洗15min，在空气中烘干；使用压片机将原始材料压至200±5μm，制备得到孔隙率为43％的泡沫Ni中间层；

二、使用SiC体积分数为20％的ZS陶瓷作为陶瓷基体，使用400#、800#、1200#、2000#的金刚石磨盘逐级打磨待连接表面，除去表面杂质；使用304不锈钢(304SS)作为金属基体，使用400#、800#、1200#、2000#、3000#的SiC砂纸逐级打磨待连接表面，除去表面氧化膜和杂质；使用厚度为10μm的Ti箔片作为中间层；将陶瓷基体、金属基体以及Ti箔片放入丙酮中超声清洗10min，除去表面油污，在空气中烘干备用；

三、将步骤一和二得到的基体和中间层材料按照304SS/泡沫Ni中间层/Ti/ZS的顺序组装待焊件，金属、陶瓷基体经打磨的表面分别与泡沫Ni中间层、Ti箔片相接触；将待焊件放入真空扩散焊炉中，施加压力0.5MPa；将炉内真空抽至5×10^-4-1×10^-3Pa后，以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温5min，再以7℃/min升至连接温度960℃保温60min；保温阶段结束后，以10℃/min降至400℃，最后随炉冷却至室温，完成焊接过程。

本实施例所制备的304SS/ZrC-SiC接头截面的扫描电子显微图像如图2所示。由图2可知，该接头组织结构良好，无任何肉眼可见的裂纹；泡沫Ni和陶瓷、304不锈钢之间的冶金结合良好。

中间层和陶瓷界面的微观组织图如图3所示，由图3可知，在连接过程中，Ti-Ni之间发生共晶反应，产生液相。由于液相的填缝作用，泡沫Ni和陶瓷之间形成了连接的界面，界面的主要成分为TiNi₃。同时，陶瓷和共晶液相反应而产生的TiC界面反应层，有助于促进液相在陶瓷基体上的润湿和铺展，实现基体和中间层的冶金结合，从而提高接头强度。

中间层和金属界面的微观组织图如图4所示，由图4可知，在连接过程中，304SS和中间层之间的元素互扩散形成了结合良好的界面。由于泡沫中间层的多孔结构，该界面连接区域和未连接区域交替出现，该不连续连接模式有助于接头应力的缓解。此外，通过对中间层的观察，发现泡沫Ni中间层的Ni丝之间发生互扩散而实现连接，从而实现中间层结构重组，这一现象有助于提高中间层的强度。

接头抗剪过程中的位移-载荷曲线如图5所示，根据实施案例1所获得的接头，抗剪强度为117.2MPa，比相同条件下使用镍箔中间层提高了22％，而接头断裂能提高了接近2倍。此外，根据位移-载荷曲线可知，使用镍箔中间层的接头呈现脆性断裂模式，即载荷到达最大值后，迅速下降为0；而使用泡沫镍中间层的接头则呈现可控断裂模式，即载荷到达最高值附近时，曲线出现一个“屈服”平台，而后缓慢下降。因此，泡沫Ni中间层的使用，提高了该陶瓷/金属接头的韧性。

Claims (7)

1.一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

一、使用厚度为3～7.5mm、孔隙率为98.5％、孔洞直径为100-500μm的开孔泡沫Ni作为原始材料；将原始泡沫Ni置入丙酮中超声清洗15min，在空气中烘干；将烘干后的原始材料压至孔隙率为35～70％的泡沫Ni中间层；

二、使用含体积分数为10～30％SiC的ZS陶瓷作为陶瓷基体，使用400#、800#、1200#、2000#的金刚石磨盘逐级打磨待连接表面；使用奥氏体不锈钢作为金属基体，依次使用400#、800#、1200#、2000#、3000#的SiC砂纸逐级打磨待连接表面；使用厚度为10μm的Ti箔片作为中间层；将陶瓷基体、金属基体以及Ti箔片放入丙酮中超声清洗10min后，在空气中烘干备用；

三、将步骤一和二得到的基体和中间层材料按照奥氏体不锈钢/泡沫Ni中间层/Ti/ZS陶瓷的顺序组装待焊件，金属、陶瓷基体经打磨的表面分别与泡沫Ni中间层、Ti箔片相接触；将待焊件放入真空扩散焊炉中，施加压力0.5～1MPa；将炉内真空抽至5×10^-4-1×10^{- 3}Pa后，以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温5min，再以7℃/min升至连接温度960～1000℃保温60～300min；保温阶段结束后，以10℃/min降至400℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述焊接过程。

2.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于泡沫Ni中间层的孔隙率为40-60％，该中间层使用厚度为3-6mm的原始泡沫Ni压缩制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于ZS陶瓷中的SiC的体积分数为20-30％。

4.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于在连接温度960℃下，保温60-300min。

5.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于连接温度980-1000℃。

6.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于奥氏体不锈钢为316不锈钢或者304不锈钢。

7.根据权利要求1所述的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，其特征在于制备所得的泡沫Ni中间层厚度为100-300μm。