CN111922468A - 一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法及钎焊材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,包括以下步骤:在两块SiC陶瓷接头之间放置高熵合金钎料,一并送入真空钎焊炉中,采用真空钎焊方式进行焊接,实现SiC陶瓷的高性能焊接,在钎焊过程中,先以10℃/min的升温速率,升温至575K,保温30min后,再以10℃/min的升温速率加热至预设温度,保温60min,再以5℃/min的降温速率,降至575K,随炉冷却至室温后取出,所述高熵合金钎料为CoFeCrNiCu高熵合金钎料,本发明利用CoFeCrNiCu合金钎料应用在钎焊SiC陶。在钎焊过程中,实现了SiC与填料合金之间的主动界面反应,固溶体成为钎焊缝整体的基体,从而增强了接头的性能,使SiC陶瓷接头的强度达到60MPa,是常规AgCuTi系钎料接头强度的4倍。

Description

一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法及钎焊材料
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,具体为一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法及钎焊材料。
背景技术
SiC陶瓷具有突出的高强度,高硬度,低密度,良好的抗氧化性和低的热膨胀系数。因此,广泛应用于核电、半导体和机械领域中。但是SiC陶瓷材料固有的高硬度,脆性和低电导率使得难以制造大尺寸和复杂形状的SiC组件。但是,钎焊技术是一种简单、方便和经济的连接方法,可以实现SiC陶瓷的精确连接。
在钎焊过程中,钎料的选择是影响钎焊接头质量的重要因素之一。在传统的填料体系中,Ag-Cu-Ti基填料和Ni基填料主要用于钎焊陶瓷等。利用Zr添加元素在SiC陶瓷真空钎焊的Ti24Ni共晶填料中的作用。使得接头的抗剪切强度从69MPa提高到112Mpa,但是接头中产生了大量的脆性金属间化合物Ti2Ni等;而若将B4C增强的Ag-Cu-Ti复合填料用于钎焊SiC陶瓷,由于添加了B4C颗粒,在Ag基固溶体和Cu基固溶体中同时合成了TiB晶须和TiC颗粒。接头的抗剪切强度可以达到140Mpa。同样,接头中产生了大量的脆性TiCu相。当利用Ag-Cu-Ti填充Cr3C2颗粒来增强SiC接头的组织和机械强度,需要通过添加适当比例的Cr3C2(10vol%Cr3C2)颗粒。Cr3C2(<10%vol%Cr3C2)颗粒随机分布在钎焊基体中,并细化了富银和富铜固溶体相。在SiC接头中也发现了Cu2Ti金属间相。因此,Ni基填料和Ag-Cu-Ti基填料用于钎焊SiC陶瓷。
尽管上述焊料在陶瓷表面上具有更好的润湿效果。但是,在钎焊接头中仍会产生大量的脆性金属间化合物。这是因为Cu或Ni在Ti之间具有大的负混合焓。Cu或Ni容易与Ti反应而降低Ti元素的活性,导致接合性能降低。另外,AgCuTi焊料易于氧化,硬度低且价格昂贵。当温度高于783K时,不能使用由AgCuTi填料钎焊的SiC接头,这意味着不能充分利用SiC的优异高温性能。因此,迫切需要设计一种新型填料,以实现SiC陶瓷可靠的自结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法及钎焊材料以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,包括以下步骤:在两块SiC陶瓷接头之间放置高熵合金钎料,采用真空钎焊方式进行焊接,实现SiC陶瓷的焊接。
进一步地,全程钎焊过程中,采用的真空度小于或等于为1×10-3Pa。
进一步地,在钎焊过程中,先以10℃/min的升温速率,升温至575K,保温30min后,再以10℃/min的升温速率加热至预设温度,保温60min,再以5℃/min的降温速率,降至575K,随炉冷却至室温后取出。
更进一步地,所述预设温度为1433-1473K。
上述方法使用的高熵合金钎料为CoFeCrNiCu高熵合金钎料。
进一步地,所述CoFeCrNiCu高熵合金钎料是由将纯度为99.5wt%的Fe、Co、Ni、Cr、Cu金属粉末按等摩尔比进行配料采用真空熔炼制备而成。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明利用CoFeCrNiCu高熵合金钎料应用于钎焊SiC陶瓷接头。在钎焊过程中,由于高熵合金的高熵效应,钎焊合金中的的元素倾向于形成无规固溶体CuSS,从而保持了Cr元素的活性,使得CoFeCrNiCu钎料与SiC陶瓷界面反应,实现了连接。在冷却过程中,形成的固溶体CuSS在Heaf晶间凝固,实现了SiC与CoFeCrNiCu高熵合金钎料之间的主动界面反应,固溶体成为钎焊缝整体的基体,从而增强了接头的性能。
(2)本发明利用CoFeCrNiCu高熵合金钎料应用于钎焊SiC陶瓷,其最佳钎焊温度为1453K,最佳钎焊时间为60min,使SiC陶瓷接头的强度达到60MPa,是常规AgCuTi系钎料接头强度的4倍。
附图说明
图1为本发明其中的一个实施例中SiC陶瓷和CoFeCrNiCu合金片的两种装配方式示意图;
图2为实施例一、实施例二和实施例三分别获得SiC/SiC钎焊接头的抗剪切强度示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,包括以下步骤:
A、将SiC陶瓷分别切割成4mm×4mm×4mm和10mm×10mm×4mm两种规格的样品;
B、将纯度为99.5wt%的Fe、Co、Ni、Cr、Cu金属粉末按等摩尔比进行配料采用真空熔炼制备成直径7mm的CoFeCrNiCu高熵合金棒;
C、将CoFeCrNiCu合金棒用电火花线切割加工成4mm×4mm×0.6mm的合金片,合金片表面线切割痕迹均用金刚石砂纸打磨干净并将合金厚度从0.6mm打磨至0.4mm;
D、然后将以上样品均用无水乙醇在超声波中清洗10min,将准备好的SiC陶瓷及CoFeCrNiCu合金片放入高压石墨模具装配好。
E、将装配好的石墨模具放入真空钎焊炉中先以10℃/min的升温速率,升温至575K,保温30min后去除试样表面残留乙醇,再以10℃/min的升温速率加热至1453K,保温60min,再以5℃/min的降温速率,降至575K,随炉冷却至室温后取出,全程均在真空状态下进行,真空度最高为1×10-3Pa。
实施例二
实施例二与实施例一不同之处在于:
在本实施例中,钎焊温度为1433K,测得SiC/SiC钎焊接头的抗剪切强度为51MPa。
其他如同实施一。
实施三
实施例三与实施一不同之处在于:
在本实施例中,钎焊温度为1273K,测得SiC/SiC钎焊接头的抗剪强度为48MPa。
其他如同实施例一。
在钎焊的加热过程中,首先,钎料开始塑性变形,在压力的作用下与SiC陶瓷紧密接触,SiC陶瓷表面被熔融填料润湿,由于高熵效应的作用下,钎料中各元素均匀分布,随着钎焊过程的继续,SiC陶瓷此时部分溶解在熔融合金中,Si和C释放并向钎焊接头中扩散,此时主要元素扩散开始,高温使得Cr元素从Heaf相中释放并向SiC陶瓷两侧聚集形成Cr、Si、C元素层,而长达60min的保温时间能使各元素充分扩散。
保温阶段结束,降温阶段开始,反应层开始凝固,由于Cr23C6吉布斯自由能最小,Cr23C6的形成趋势最大,反应式如下:Cr+SiC→Cr23C6+Si,根据Fe-Cr-C三元相图可知,此时温度处于共晶转变点之上,Fe元素与Cr元素能固溶,CrxCy化合物在共晶反应过程中溶解Fe原子,使Fe原子占据Cr原子的晶格位置形成(Cr,Fe)xCy,因此形成(Cr,Fe)23C6和纯Si相。
SiC/SiC钎焊接头在不同钎焊温度下的显微组织与1253K保温60min的情况相似,在不同钎焊温度下得到的所有接头都明显存在两个区域,不同钎焊温度下接头中相的种类没有发生变化,组织没有很大的变化,不同工艺接头中心区枝晶细化,且都为等轴晶,因此,不同钎焊温度下钎焊60min的剪切强度差距不大。
在反应层中,随着钎焊温度的升高,反应层厚度先由1433K的13μm增加到1453K的25μm,1473K是降低至15μm,与剪切强度的变化趋势一致,这是由于在1433K时,由于高熵合金的缓慢扩散效应,较低的钎焊温度使元素扩散不充分,反应层厚度因此较薄,剪切强度受此影响较小,随着钎焊温度升高,元素充分扩散,反应层最厚,接头剪切强度因此最大;钎焊温度的继续升高会使元素过度扩散,反应层厚度因此降低,较高的温度也会使应力增大,剪切强度也受此影响而较小。因此,最佳的钎焊工艺条件应为1453K钎焊时间为60min。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之。

Claims (6)

1.一种基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,其特征在于:包括以下步骤:在两块SiC陶瓷接头之间放置高熵合金钎料,采用真空钎焊方式进行焊接,实现SiC陶瓷的焊接。
2.根据权利要求1所述的基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,其特征在于:全程钎焊过程中,采用的真空度小于或等于为1×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,其特征在于:在钎焊过程中,先以10℃/min的升温速率,升温至575K,保温30min后,再以10℃/min的升温速率加热至预设温度,保温60min,再以5℃/min的降温速率,降至575K,随炉冷却至室温后取出。
4.根据权利要求3所述的基于多元高熵合金的SiC陶瓷钎焊方法,其特征在于:所述预设温度为1433-1473K。
5.一种应用于权利要求1-3任意一项所述方法的钎焊材料,其特征在于:所述高熵合金钎料为CoFeCrNiCu高熵合金钎料。
6.根据权利要求5所述的钎焊材料的制备方法,其特征在于:所述CoFeCrNiCu高熵合金钎料是由将纯度为99.5wt%的Fe、Co、Ni、Cr、Cu金属粉末按等摩尔比进行配料采用真空熔炼制备而成。
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