CN110577408B - 连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法，一种连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法，该方法采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。与现有的相比，本发明成功实现了GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的连接，将GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的连接件用于航空航天及核电等高温结构零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种采用Cu/Ti复合中间层扩散连接Al2O3陶瓷与GH625镍基高温合金的方法。
背景技术
随着航空航天等领域的不断发展，航空发动机用耐高温材料的研发备受关注。高温合金因其良好的高温性能广泛应用于航空发动机涡轮工作叶片和发动机点火系统火花塞等热端部件。GH625镍基高温合金是以钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，且从低温到980℃均具有良好的拉伸性能和疲劳性能。因此，GH625镍基高温合金可广泛应用于制造航空发动机零部件、宇航结构部件和化工设备等。
Al2O3陶瓷具有机械强度高、硬度高、耐热冲击强度大、抗腐蚀等优良性能，是一种用途广泛的陶瓷。高纯型Al2O3陶瓷(Al2O3含量大于99.9Wt.％)因其具有透光性好且耐碱金属腐蚀，可用作钠灯管、集成电路基板和高频绝缘材料等。普通型Al2O3陶瓷材料可用于制作高温坩埚及耐火炉管、陶瓷轴承、陶瓷密封件等耐高温耐磨损部件。
考虑到GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的综合优异性能，将此两种材料连接在一起制造成复合构件，可以充分发挥两者的性能优势，特别是在航空航天及核电等高温结构零部件制造领域，具有极大的应用前景。但这首先要解决两种材料的异种连接问题。至今为止，国内外尚未有关于GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷连接的文献报道。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的之一就在于提供一种连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法，该连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法解决了Al2O3陶瓷与GH625镍基合金难于连接的问题。
技术方案是：一种连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法，该方法采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。
作为优选，该方法先将Cu箔、Ti箔置于待连接GH625镍基高温合金的连接面和Al2O3陶瓷的连接面之间装配成Al2O3陶瓷/Cu箔/Ti箔/GH625镍基高温合金的装配件，然后将该装配件放置在炉中烧结。
作为优选，所述Ti含量为20-35％。
作为优选，所述炉中烧结为在真空加热炉中，施加2MPa～4MPa的压力，至真空加热炉真空度达到3.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa时通电加热，控制升温速度为15℃/min～40℃/min，升温至800℃～850℃，保温20～40min，然后再升温至980℃～1050℃，保温5min～30min，再控制冷却速度为5℃/min～15℃/min，冷却至600℃，然后再随炉冷却至室温。
作为优选，所述装配步骤前，Cu箔、Ti箔和GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷放入丙酮中超声清洗5min～15min。
本发明还提供一种航空/核电零部件。
技术方案是：一种连接件，该连接件由上述的方法制备。
本发明还提供一种航空/核电零部件。
技术方案是：一种航空/核电零部件,该航空/核电零部件包括上述的连接件，
本发明还提供一种连接件。
技术方案是：一种连接件，该连接件包括GH625镍基高温合金、Cu/Ti复合层和Al2O3陶瓷，Cu/Ti复合层位于GH625镍基高温合金与Al2O3陶瓷之间，用于连接扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明选用Cu箔与Ti箔作为复合中间层材料，能够实现接头的连接。首先，Ti箔中的活性元素Ti通过扩散与GH625镍基高温合金母材发生充分反应，形成Ni3Ti化合物，实现了连接，其次，温度高于低共熔点时Cu箔表面出现的Cu2O共晶液相不仅能润湿Cu箔和Al2O3陶瓷，而且能与Al2O3发生化学反应形成CuAlO2，冷却后通过Cu-Al-O化学键将Cu与Al2O3牢固键合在一起，最终获得综合性能良好的接头。
本发明采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷，通过控制扩散连接温度和保温时间，以控制反应层的厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度最高可达95.6MPa。
本发明成功实现了GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的连接，将GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的连接件用于航空航天及核电等高温结构零部件，能有效提高现有器件的比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有极大的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中待焊的GH625镍基高温合金与Al2O3陶瓷的装配示意图；
图2是本发明实施例1中中间层成分为Cu70Ti30，中间层厚度为360μm，焊接温度为1020℃，保温时间为20min的接头扫描电子显微镜电子背散射照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
一种采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金与Al2O3陶瓷的方法，该方法的步骤为：
步骤一、将GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷进行线切割，得到待连接的GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷；
步骤二、将Cu箔、Ti箔用1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨，随后抛光；将步骤一得到的待连接GH625镍基高温合金的连接面用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨至表面光亮，随后抛光；将步骤一得到的待连接Al2O3陶瓷的连接面用400#、600#、800#、1000#金刚石磨盘逐级打磨，随后抛光。再将Cu箔、Ti箔、GH625高温合金及Al2O3陶瓷放入丙酮中超声清洗5～15min，取出后吹干；
步骤三、将Cu箔和Ti箔置于待连接GH625镍基高温合金的连接面和Al2O3陶瓷的连接面之间装配成GH625高温合金/Ti箔/Cu箔/Al2O3陶瓷的装配件；其中Ti含量为20-35％，Ti含量＝Ti重量*100％/(Cu重量+Ti重量)。
步骤四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加2MPa～4MPa的压力，至真空加热炉真空度达到3.0×10-3Pa～1.0×10-4Pa时通电加热，控制升温速度为15℃/min～40℃/min，升温至800～850℃，保温20～40min，然后再升温至980～1050℃，保温5～30min，再控制冷却速度为5℃/min～15℃/min，冷却至600℃，然后再随炉冷却至室温，完成采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。
本实施例中Cu/Ti钎料采用了Cu箔与Ti箔交替叠加的形式，由于箔片中间层升温过程不需要除氢，因此可以简化扩散连接的工艺过程。Cu/Ti复合箔中间层中的Cu箔位于靠近Al2O3陶瓷侧，Ti箔位于靠近GH625高温合金侧。通过Cu、Ti与Al2O3陶瓷和GH625高温合金中元素的相互反应和扩散，实现了GH625高温合金和Al2O3陶瓷可靠的连接。
本发明采用Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625高温合金和Al2O3陶瓷，通过控制扩散连接温度和保温时间，以控制反应层的厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了GH625高温合金和Al2O3陶瓷的连接，并获得了可靠的接头。接头的室温剪切强度可达95.6MPa。
本发明GH625高温合金和Al2O3陶瓷的成功连接，将GH625高温合金和Al2O3陶瓷的连接件用于高温结构的航空和核电等零部件，能有效提高现有器件的抗氧化、抗热腐蚀、高温强度和蠕变强度等性能，具有极大的应用前景。
作为优选，步骤二中所述的放入丙酮中超声清洗10min，其他与具体实施方式一相同。
作为优选，步骤四中所述的施加压力为3MPa作为优选，步骤四中所述的真空加热炉真空度达到3.0×10-3Pa。
作为优选，步骤四中所述的控制升温速度为20℃/min。
作为优选，步骤四中所述的升温至800～850℃。
作为优选，步骤四中所述的升温至830℃，。
作为优选，步骤四中所述的保温时间为25～35min。
作为优选，步骤四中所述的保温时间为30min。
作为优选，步骤四中所述的升温至980～1050℃。
作为优选，步骤四中所述的升温至1020℃。
作为优选，步骤四中所述的保温时间为5～30min。
作为优选，步骤四中所述的保温时间为20min。
作为优选，步骤四所述的冷却速率为10℃/min。
实施例1
一种采用铜基钎料钎焊连接Al2O3陶瓷与GH625镍基高温合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷进行线切割，得到待连接的GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。其中，待连接的GH625镍基高温合金尺寸为10mm×10mm×5mm、Al2O3陶瓷尺寸为10mm×10mm×5mm；
步骤二、将Cu箔、Ti箔用1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨，随后抛光；将步骤一得到的待连接GH625镍基高温合金的连接面用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨至表面光亮，随后抛光；将步骤一得到的待连接Al2O3陶瓷的连接面用400#、600#、800#、1000#金刚石磨盘逐级打磨，随后抛光。再将50μm Cu箔、30μmTi箔和GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷放入丙酮中超声清洗15min，取出后吹干；
步骤三、将Cu箔和Ti箔置于待连接GH625镍基高温合金的连接面和Al2O3陶瓷的连接面之间装配成装配件(如图1)，装配顺序为GH625镍基高温合金/Cu箔/Ti箔/Cu箔/Ti箔……Ti箔/Al2O3陶瓷，装配件重，Ti含量为30％；
步骤四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加3MPa的压力，至真空加热炉真空度达到6.0×10-3Pa时通电加热，控制升温速度为20℃/min升温至830℃，保温30min，然后以5℃/min升温至1020℃(即焊接温度)，保温20min，再控制冷却速度为10℃/min，冷却至600℃，然后再随炉冷却至室温，完成Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：Ti含量为30％，焊接温度为1050℃，保温时间为20min。其他与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是：Ti含量为25％，焊接温度为1020℃，保温时间为20min。其他与实施例1相同。
通过上述实施例获得的GH625镍基高温合金与Al2O3陶瓷的扩散连接接头界面组织结构扫描电子显微镜背散射照片如图2所示，图中左侧为Al2O3陶瓷，右侧为GH625镍基高温合金，采用本实施方法获得了无孔洞、裂纹等缺陷的接头，实现了Al2O3陶瓷与GH625合金的良好连接。
将实施例1-3连接后的连接头进行剪切强度测试，结果如下表一所示：
表一
Claims (1)
1.一种连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤一、将GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷进行线切割，得到待连接的GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷；其中，待连接的GH625镍基高温合金尺寸为10mm×10mm×5mm、Al2O3陶瓷尺寸为10mm×10mm×5mm；
步骤二、将Cu箔、Ti箔用1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨，随后抛光；将步骤一得到的待连接GH625镍基高温合金的连接面用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸逐级打磨至表面光亮，随后抛光；将步骤一得到的待连接Al2O3陶瓷的连接面用400#、600#、800#、1000#金刚石磨盘逐级打磨，随后抛光，再将50μm Cu箔、30μmTi箔和GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷放入丙酮中超声清洗15min，取出后吹干；
步骤三、将Cu箔和Ti箔置于待连接GH625镍基高温合金的连接面和Al2O3陶瓷的连接面之间装配成装配件，装配顺序为Al2O3陶瓷/Cu箔/Ti箔/Cu箔/Ti箔……Ti箔/GH625镍基高温合金，装配件中，Ti含量为30％；
步骤四、将步骤三得到的装配件放置在真空加热炉中，施加3MPa的压力，至真空加热炉真空度达到6.0×10-3Pa时通电加热，控制升温速度为20℃/min升温至830℃，保温30min，然后以5℃/min升温至1020℃，保温20min，再控制冷却速度为10℃/min，冷却至600℃，然后再随炉冷却至室温，完成Cu/Ti复合中间层扩散连接GH625镍基高温合金和Al2O3陶瓷。
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