CN110734296A - 一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头及其制备方法，属于金属与陶瓷连接技术领域，所述基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，包括以下步骤：分别将镍基高温合金与陶瓷的待焊面进行打磨后，用洗液清洗；分别将清洗后的镍基高温合金与清洗后的陶瓷进行镀钛膜；将金硅钎料置于镀钛膜后的镍基高温合金与镀钛膜后的陶瓷之间，压紧后放入真空炉中，加热后冷却至室温，获得基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头。本发明通过在镍基高温合金与陶瓷表面镀钛膜，再以金硅合金作为低温钎焊钎料，能够将表面改性的镍基高温合金与陶瓷进行钎焊连接，获得强度较高的连接接头，且接头在室温剪切强度为50±5MPa，700℃剪切强度为10±2MPa。

Description

一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头及其制备方法

技术领域

本发明涉及低温焊接技术领域，具体而言，涉及一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头及其制备方法。

背景技术

金属与陶瓷连接，一直是国内外研究热点。由于陶瓷的高熔点，以及硬脆的特性，传统的熔化焊及压力焊都无法有效解决两者的连接问题，而钎焊所采用的钎料，如果在真空或者大气环境对两者进行有效润湿，则可以通过界面反应将两者有效连接，因此是目前解决金属与陶瓷连接问题的首选连接方法。但是金属热膨胀系数普遍高于陶瓷，如果在高温条件对两者进行连接，冷却至室温会在接头内产生热应力，从而容易使接头强度偏低甚至失效。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中镍基高温合金与陶瓷连接温度高，连接后残余应力大，连接接头强度低中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：分别将镍基高温合金与陶瓷的待焊面进行打磨后，用洗液清洗；

步骤2：分别将清洗后的镍基高温合金与清洗后的陶瓷进行镀钛膜；

步骤3：将金硅钎料置于镀钛膜后的镍基高温合金与镀钛膜后的陶瓷之间，压紧后放入真空炉中，加热后冷却至室温，获得基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头。

可选地，所述陶瓷为硅基陶瓷、氧化物陶瓷或碳陶瓷。

可选地，在所述步骤2中，采用磁控溅射方式分别将清洗后的镍基高温合金与清洗后的陶瓷进行镀钛膜。

可选地，所述磁控溅射的条件包括：本底真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa，氩气压力范围为0.1Pa-0.3Pa，射频电源功率范围为120W-180W，时间范围为2-3小时。

可选地，在所述步骤2中，所述钛膜的厚度范围为1μm-2μm。

可选地，在所述步骤3中，所述金硅钎料的厚度范围为95μm-100μm。

可选地，在所述步骤3中，所述真空炉的真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa。

可选地，在所述步骤3中，所述加热的工艺为：以8℃/min-12℃/min的速度升至400℃-500℃保温30min-1h，然后以8℃/min-12℃/min的速度降至150℃-250℃。

可选地，在所述步骤1中，所述用洗液清洗包括用丙酮清洗8min-15min。

本发明所述的一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法相对于现有技术的优势在于：

本发明通过在镍基高温合金与陶瓷表面镀一层钛膜，然后再以金硅合金作为低温钎焊钎料，能够在低温条件下，将表面改性的镍基高温合金与陶瓷进行钎焊连接，获得强度较高的连接接头，且接头在室温剪切强度为50±5MPa，700℃剪切强度为10±2MPa。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头，采用上述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法制备。

本发明所述的一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头与所述基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法流程框图；

图2为本发明实施例1中一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的SEM背散射图；

图3为本发明实施例1对比实施例中一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的SEM背散射图。

具体实施方式

以铁，镍，钴为基，在高温条件下能承受机械应力并具有结构稳定性的一类合金称为高温合金。高温合金在室温及高温环境应具有高强度，抗氧化性及抗蠕变等特性。高温合金不仅在航空航天有重要应用，在航海，能源，石化等领域也是重要材料。而金属与陶瓷连接，一直是国内外研究热点。由于陶瓷的高熔点，以及硬脆的特性，传统的熔化焊及压力焊都无法有效解决两者的连接问题，而钎焊所采用的钎料，如果在真空或者大气环境对两者进行有效润湿，则可以通过界面反应将两者有效连接，因此是目前解决金属与陶瓷连接问题的首选连接方法。但是金属热膨胀系数普遍高于陶瓷，如果在高温条件对两者进行连接，冷却至室温会在接头内产生热应力，从而容易使接头强度偏低甚至失效。目前国内外采用复合钎料法，软硬中间层法，梯度材料法对接头热应力进行缓解。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将镍基高温合金与陶瓷的待焊面用2000号砂纸打磨后，用洗液清洗，去除表面杂质及氧化层，使钎焊能够顺利进行，以便得到稳固接头；

步骤2：分别将清洗后的所述镍基高温合金与所述陶瓷进行镀钛膜，钛能将金硅钎料中的硅反应掉，使焊缝内留下纯金，提高接头使用温度，而且钛膜还能与镍基高温合金和陶瓷表面产生连接，是理想的改性材料；

步骤3：将金硅钎料置于镀钛膜后的所述镍基高温合金与所述陶瓷之间，压紧后放入真空炉中，加热后冷却至室温，获得基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头。

本发明实施例通过在镍基高温合金与陶瓷表面镀一层钛膜，然后再以金硅合金作为低温钎焊钎料(熔点363℃)，通过连接表面钛改性的镍基高温合金与陶瓷，硅与钛反应形成化合物，使焊缝内形成不含共晶硅的纯金，而纯金熔点高达1064℃，因此实现了低温钎焊形成高熔点接头并缓解了热应力，且获得的连接接头强度较高，在室温剪切强度为50±5MPa，700℃剪切强度为10±2MPa。

优选地，陶瓷包括硅基陶瓷、氧化物陶瓷或碳陶瓷中的一种。具有耐高温，抗氧化，强度高等特点，且在真空高温条件下，都能与Ti发生界面反应。在一些优选的实施例中，陶瓷为C/C复合材料，且CC复合材料由碳纤维或编织物等增强碳基复合材料构成，主要成分为纤维碳，树脂碳和沉积碳。熔点在4000℃以上，具有耐高温，抗热冲击等性能，同时其具有耐腐蚀性能，石墨化程度越高，热导率越高，而热膨胀系数反之降低，热膨胀系数介于0.5-1.5×10^-6/℃之间。

优选地，步骤2中镀钛膜的镀膜形式，以物理气相沉积为主，可以是真空蒸发镀Ti，如电子束蒸镀，也可以是溅射镀Ti，如磁控溅射，也可以是离子镀Ti，如电弧离子镀，在一些优选的实施例中镀膜形式为磁控溅射，使用广。

优选地，所述磁控溅射的条件包括：本底真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa，氩气压力范围为0.1Pa-0.3Pa，射频电源功率范围为120W-180W，时间范围为2-3小时，在此磁控溅射的条件下，镀膜的效果好。

优选地，步骤2中所述钛膜的厚度范围为1μm-2μm。钛膜较薄，无法将金硅中的硅反应尽，焊缝中残留共晶硅，将导致接头在金硅钎料熔点363℃以上温度失效，钛膜较厚，焊缝内又会形成金钛化合物，使接头变脆，同样降低连接接头的强度，因此，在上述厚度范围内，能够得到强度高的连接接头。

优选地，步骤3中所述金硅钎料的厚度范围为95μm-100μm，保证钎料内硅的含量，与镀Ti量适配，保证二者完全反应，在一些优选实施例中，金硅钎料的厚度为100μm，能充分反应完全，不留孔洞。

可选地，步骤3中真空炉的真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa，所述加热的工艺为：以8℃/min-12℃/min的速度升至400℃-500℃保温30min-60min，然后以8℃/min-12℃/min的速度降至150℃-250℃。在上述条件下，能够实现低温钎焊形成高熔点接头，且获得的连接接头强度较高。

可选地，步骤1中，所述用洗液清洗包括用丙酮或酒精清洗8-15min，去除表面杂质及氧化层，使钎焊能够顺利进行，以便得到稳固接头，且原料来源广泛。

本发明的另一实施例，给出了一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头，采用上述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法制备。

本实施例所述的一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头与所述基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

实施例1

本实施例提供了一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的制备方法，其中GH3039镍基高温合金，是一种奥氏体固溶体强化合金，主要由Ni，Cr，Mo三种元素构成，在800℃以下具有中等的高温强度和良好的热疲劳抗性，具有优异的抗氧化及可焊性，长期使用温度可在850℃以下，在航空涡轮发动机燃烧室等部件上有重要应用。表1为GH3039合金在各温度段的热膨胀系数。

表1 GH3039在不同温度下的热膨胀系数

θ/℃	20～100	20～200	20～300	20～400	20～500	20～600	20～700	20～800	20～900	20～1000
											α/10<sup>-6</sup>℃<sup>-1</sup>	11.5	12.4	13.2	13.5	13.8	14.3	14.9	15.3	15.8	16.4

由于GH3039与C/C复合材料热膨胀系数相差较大，而C/C复合材料熔点较高，传统熔焊及压力焊都无法有效将其连接。国内有文献报道采用BNi₂+TiH₂钎料成功将GH99镍基高温合金与C/C复合材料连接，室温抗剪强度最大可达37.8MPa，800℃抗剪强度可达16MPa，但钎焊温度需要达到1170℃，不仅接头残余应力较大，对钎焊设备也有较高要求。

因此，本实施例提供的一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将GH3039镍基高温合金与C/C复合材料待焊面用2000号砂纸打磨，并用丙酮超声清洗12min；

步骤2：将清洗后的待焊件装卡于磁控溅射设备进行磁控溅射镀Ti，本底真空度5×10^-4Pa，镀膜过程中氩气压力0.2Pa，射频电源功率180W，镀膜2小时，可在GH3039与C/C复合材料表面得到2μm厚Ti膜；

步骤3：将100μm厚的AuSi钎料片放置于镀膜后的GH3039镍基高温合金与C/C复合材料之间，用石墨模具压紧，压力约为5kPa，放入真空炉中，待真空炉真空度抽到5×10^-4Pa，加热工艺为以12℃/min升至450℃保温1h，然后以12℃/min降至200℃关闭加热，炉冷至室温，得到GH3039镍基高温合金与C/C复合材料接头。

本实施例制备的一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的SEM背散射图像如图2所示，可以看出，焊缝内为纯金，且在GH3039界面形成了棒状NiSiTi化合物，C/C复合材料界面形成了TiSi化合物。

为了便于比较，本实施例给出了对比实施例，与上述实施例的区别之处在于，GH3039镍基高温合金与C/C复合材料未镀钛膜，具体包括以下步骤：

步骤1：将GH3039镍基高温合金与C/C复合材料待焊面用2000号砂纸打磨，并用丙酮超声清洗10min；

步骤2：将100μm厚的AuSi钎料片放置于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料之间，用石墨模具压紧，压力约为5kPa，放入真空炉中，待真空炉真空度抽到5×10^-4Pa，加热工艺为以12℃/min升至450℃保温1h，然后以12℃/min降至200℃关闭加热，炉冷至室温，得到GH3039镍基高温合金与C/C复合材料接头。

本对比实施例制备的一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的SEM背散射图像如图3所示，可以看出，AuSi与GH3039反应形成连续的NiSi化合物，而AuSi在与C/C复合材料反应微弱，因此在C/C复合材料一侧剩余大量共晶硅，将导致这种接头无法在高温应用。

因此，本实施例利用AuSi钎料与磁控溅射得到的Ti膜发生反应，在C/C复合材料表面形成TiSi化合物，而在GH3039镍基高温合金表面形成NiSiTi化合物，从而形成等温凝固，使焊缝内形成不含共晶硅的纯金，而纯金熔点高达1064℃，因此实现了低温钎焊形成高熔点接头，而钎焊温度的高低直接决定两个母材热应力的大小，钎焊温度越高，热应力越大，因此本实施例低温钎焊能降低由两者热膨胀系数的差异造成的接头热应力，且获得的连接接头强度较高，在室温剪切强度为55MPa，700℃剪切强度为12MPa。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于，本实施例提供了一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将GH3039镍基高温合金与C/C复合材料待焊面用2000号砂纸打磨，并用酒精超声清洗10min；

步骤2：将清洗后的待焊件装卡于磁控溅射设备进行磁控溅射镀Ti，本底真空度5×10^-4Pa，镀膜过程中氩气压力0.2Pa，射频电源功率150W，镀膜2小时，可在GH3039与C/C复合材料表面得到1.5μm厚Ti膜；

步骤3：将100μm厚的AuSi钎料片放置于镀膜后的GH3039镍基高温合金与C/C复合材料之间，用石墨模具压紧，压力约为5kPa，放入真空炉中，待真空炉真空度抽到5×10^-4Pa，加热工艺为以10℃/min升至430℃保温30min，然后以10℃/min降至200℃关闭加热，炉冷至室温，得到GH3039镍基高温合金与C/C复合材料接头。

本实施例利用AuSi钎料与磁控溅射得到的Ti膜发生反应，在C/C复合材料表面形成TiSi化合物，而在GH3039镍基高温合金表面形成NiSiTi化合物，从而形成等温凝固，使焊缝内形成不含共晶硅的纯金，而纯金熔点高达1064℃，因此实现了低温钎焊形成高熔点接头，而钎焊温度的高低直接决定两个母材热应力的大小，钎焊温度越高，热应力越大，因此本实施例低温钎焊能能降低由两者热膨胀系数的差异造成的接头热应力，且获得的连接接头强度较高，在室温剪切强度为48MPa，700℃剪切强度为10MPa。

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于，本实施例提供了一种基于GH3039镍基高温合金与C/C复合材料的连接接头的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将GH3039镍基高温合金与C/C复合材料待焊面用2000号砂纸打磨，并用丙酮超声清洗8min；

步骤2：将清洗后的待焊件装卡于磁控溅射设备进行磁控溅射镀Ti，本底真空度5×10^-4Pa，镀膜过程中氩气压力0.2Pa，射频电源功率120W，镀膜2小时，可在GH3039与C/C复合材料表面得到1μm厚Ti膜；

步骤3：将100μm厚的AuSi钎料片放置于镀膜后的GH3039镍基高温合金与C/C复合材料之间，用石墨模具压紧，压力约为5kPa，放入真空炉中，待真空炉真空度抽到5×10^-4Pa，加热工艺为以8℃/min升至400℃保温30min，然后以8℃/min降至150℃关闭加热，炉冷至室温，得到GH3039镍基高温合金与C/C复合材料接头。

本实施例利用AuSi钎料与磁控溅射得到的Ti膜发生反应，在C/C复合材料表面形成TiSi化合物，而在GH3039镍基高温合金表面形成NiSiTi化合物，从而形成等温凝固，使焊缝内形成不含共晶硅的纯金，而纯金熔点高达1064℃，因此实现了低温钎焊形成高熔点接头，而钎焊温度的高低直接决定两个母材热应力的大小，钎焊温度越高，热应力越大，因此本实施例低温钎焊能能降低由两者热膨胀系数的差异造成的接头热应力，且获得的连接接头强度较高，在室温剪切强度为45MPa，700℃剪切强度为8MPa。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分别将镍基高温合金与陶瓷的待焊面进行打磨后，用洗液清洗；

步骤2：分别将清洗后的镍基高温合金与清洗后的陶瓷进行镀钛膜；

步骤3：将金硅钎料置于镀钛膜后的镍基高温合金与镀钛膜后的陶瓷之间，压紧后放入真空炉中，加热后冷却至室温，获得基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头。

2.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，所述陶瓷为硅基陶瓷、氧化物陶瓷或碳陶瓷。

3.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，采用磁控溅射方式分别将清洗后的镍基高温合金与清洗后的陶瓷进行镀钛膜。

4.根据权利要求3所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的条件包括：本底真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa，氩气压力范围为0.1Pa-0.3Pa，射频电源功率范围为120W-180W，时间范围为2-3小时。

5.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述钛膜的厚度范围为1μm-2μm。

6.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述金硅钎料的厚度范围为95μm-100μm。

7.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述真空炉的真空度范围为4×10^-4Pa-6×10^-4Pa。

8.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述加热的工艺为：以8℃/min-12℃/min的速度升至400℃-500℃保温30min-60min，然后以8℃/min-12℃/min的速度降至150℃-250℃。

9.根据权利要求1所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述用洗液清洗包括用丙酮清洗8-15min。

10.一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头的制备方法制备。

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