CN113231706B - 一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法 - Google Patents

一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，它涉及一种辅助钎焊异种材料的方法。本发明要解决现有陶瓷和金属材料热膨胀系数差异较大而造成接头的残余应力过大的问题，解决现有引入增强相降低陶瓷和金属材料残余应力的方法，存在增强相易团聚且含量低的问题。制备方法：一、制备三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体；二、制备三维负膨胀网络复合中间层材料；三、钎焊。本发明用于三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料。

Description

一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的 方法
技术领域
本发明涉及一种辅助钎焊异种材料的方法。
背景技术
陶瓷材料密度低，高强度和高硬度，耐腐蚀，具有优异的耐高温性能和抗热冲击能力，广泛的应用于航空航天、核电、汽车、电子领域。但是因为陶瓷材料脆性大，很难加工成复杂的结构，通常需要将陶瓷材料与金属异种连接来满足实际需求。钎焊是实现异种材料链接的一种有效手段，钎焊因为操作简单，成本低，无需融化母材而对母材性能影响较小，可以广泛应用于异种材料的连接。但是由于陶瓷材料和金属材料具有较大的性能差异，会出现钎料润湿性差，接头残余应力大和界面处生成大量的脆性化合物，导致难以实现高强度的异种材料的可靠连接。
为了缓解焊接接头的残余应力，通常引入负膨胀增强相到钎料中来降低复合钎料的热膨胀系数，从而减少陶瓷材料与钎料之间的大热膨胀系数差异，降低残余应力而提高接头的强度。目前应用比较多的是通过混合粉末状的负膨胀材料和钎料粉末混合到一起进行钎焊。但是在这个过程中，负膨胀材料容易发生团聚而产生缺陷，传统的增强相会与钎料中的活性元素发生反应，从而会在焊接过程中形成裂纹，空洞，未焊合等焊接缺陷，对焊接接头的性能改善有限。此外，由于增强体的添加量有限，使得到的钎料复合钎料的热膨胀系数仍然很高，从而对焊接接头的残余应力改善程度有限。现有SiC陶瓷和GH3536板材异种材料剪切强度仅能达到20MPa～30MPa。因此，需要开发一种新型的中间层材料来提高接头的强度。
发明内容
本发明要解决现有陶瓷和金属材料热膨胀系数差异较大而造成接头的残余应力过大的问题，解决现有引入增强相降低陶瓷和金属材料残余应力的方法，存在增强相易团聚且含量低的问题，而提供一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法。
一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，它是按以下步骤进行的：
一、制备三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体：
在超声水浴条件下，向去离子水中加入阳离子金属盐与阴离子金属盐，搅拌直至分散均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于反应釜中，然后将泡沫金属浸渍于混合溶液中，在温度为100℃～180℃的条件下，水热反应2h～12h，然后自然冷却至室温，得到前驱体，将前驱体洗涤并干燥，得到三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体；
所述的阴离子金属盐为钼酸金属盐或钨酸金属盐；所述的阳离子金属盐中金属原子与阴离子金属盐中钼原子或钨原子的原子比为2:3；所述的阳离子金属盐与阴离子金属盐的总质量与去离子水的体积比为1g:(20～100)mL；
二、制备三维负膨胀网络复合中间层材料：
将三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体置于管式炉中，且管式炉中气氛为氩气，并以气体流量为10sccm～100sccm通入氩气，保持压强为恒压大气压，然后以2℃/min～20℃/min的升温速度，将温度升温至500℃～900℃，并在温度为500℃～900℃的条件下，保温1h～8h，得到三维负膨胀网络复合中间层材料；
三、钎焊：
在两张钎料片之间放置三维负膨胀网络复合中间层材料，得到钎料片-中间层材料-钎料片，然后将钎料片-中间层材料-钎料片置于待焊金属与待焊陶瓷之间，得到待焊件，将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为700℃～1300℃的条件下，保温为5min～40min，最后冷却到室温，得到三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明所引入的负膨胀材料具有负膨胀效应，三维负膨胀网络复合中间层材料可以有效降低复合钎料的热膨胀系数，从而减少金属钎料与陶瓷材料之间的热膨胀系数差异，从而有效缓解接头的残余应力；
2、三维负膨胀网络复合中间层材料中的泡沫金属可以提高接头的增韧性以及应变容纳能力，从而缓解接头的残余应力，提高接头的质量；
3、三维负膨胀网络复合中间层材料中的负膨胀材料负载在泡沫金属表面，三维负膨胀网络复合中间层有效地保证了负膨胀材料在焊缝中均匀分布，可以在一定程度上缓解负膨胀材料团聚的现象，从而实现良好的接头结构；
4、负膨胀材料与钎料具有好的润湿性，三维通孔结构可以保证钎料很好的渗入到网络结构中，保证了增强体与负膨胀材料的结合性，
5、本发明钎焊SiC陶瓷和GH3536金属异种材料，接头结构良好，未发现明显的裂纹和缺陷，剪切强度增加到50MPa～80MPa，性能可提升两倍以上。
本发明用于一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法。
说明书附图
图1为实施例一步骤二制备的三维负膨胀网络复合中间层材料的扫描电镜图；
图2为实施例一步骤二制备的三维负膨胀网络复合中间层材料的X射线谱图；
图3为实施例一制备的SiC与GH3536的焊接件结构横截面背散射图；
图4为焊接件接头应力应变曲线，1为实施例一制备的SiC与GH3536的焊接件，2为对比实验一制备的SiC与GH3536的焊接件。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，它是按以下步骤进行的：
一、制备三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体：
在超声水浴条件下，向去离子水中加入阳离子金属盐与阴离子金属盐，搅拌直至分散均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于反应釜中，然后将泡沫金属浸渍于混合溶液中，在温度为100℃～180℃的条件下，水热反应2h～12h，然后自然冷却至室温，得到前驱体，将前驱体洗涤并干燥，得到三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体；
所述的阴离子金属盐为钼酸金属盐或钨酸金属盐；所述的阳离子金属盐中金属原子与阴离子金属盐中钼原子或钨原子的原子比为2:3；所述的阳离子金属盐与阴离子金属盐的总质量与去离子水的体积比为1g:(20～100)mL；
二、制备三维负膨胀网络复合中间层材料：
将三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体置于管式炉中，且管式炉中气氛为氩气，并以气体流量为10sccm～100sccm通入氩气，保持压强为恒压大气压，然后以2℃/min～20℃/min的升温速度，将温度升温至500℃～900℃，并在温度为500℃～900℃的条件下，保温1h～8h，得到三维负膨胀网络复合中间层材料；
三、钎焊：
在两张钎料片之间放置三维负膨胀网络复合中间层材料，得到钎料片-中间层材料-钎料片，然后将钎料片-中间层材料-钎料片置于待焊金属与待焊陶瓷之间，得到待焊件，将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为700℃～1300℃的条件下，保温为5min～40min，最后冷却到室温，得到三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料。
步骤二中所述的三维负膨胀网络复合中间层材料中负膨胀材料为钼酸钪、钨酸钇、钨酸钪或钼酸钇。
步骤一中所述的反应釜为带有聚四氟乙烯内衬的反应釜。
步骤三中所述的待焊金属和待焊陶瓷为预处理后的待焊金属和预处理后的待焊陶瓷；所述的预处理后的待焊金属和预处理后的待焊陶瓷具体是按以下步骤制备：对待焊金属和待焊陶瓷表面进行机械打磨，化学清洗去除表面油污和杂质。
原理：对于适用于钎焊的增强体应该满足以下几个条件：1.增强体的热膨胀系数应该尽量低，这样可以更大程度上调节钎缝的热膨胀系数；2.增强体在焊缝中应该均匀分布，避免因为聚集而产生焊接缺陷；3.增强体应该与钎料有好的润湿性，这样可以避免因为不润湿而产生缺陷。本具体实施方式所制备的负膨胀材料具有因受热而产生体积收缩的效应，与传统的增强体正膨胀效应所不同，可以更大程度上的调节复合钎缝的热膨胀系数，减少金属钎料与陶瓷的热膨胀系数差异，从而更大的程度上缓解焊接接头的残余应力。其次具体实施方式制备的三维负膨胀网络复合中间层可以将负膨胀材料均匀的生长在泡沫金属上，在焊接过程中可以保证负膨胀材料均匀的分布在焊缝中，从而避免发生团聚现象。另一方面，具体实施方式所制备的负膨胀材料属于氧化物陶瓷，可以与钎料中的活性元素发生少量的反应，具有较好的界面结合性，从而使钎料与增强体之间可以紧密结合，保证了焊接接头的焊接质量。
因此，具体实施方式采用的三维负膨胀网络复合中间层材料作为中间层，可以保证负膨胀材料在焊缝中的均匀分布，并且具有开放的通孔，保证了钎料的渗入。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式所引入的负膨胀材料具有负膨胀效应，三维负膨胀网络复合中间层材料可以有效降低复合钎料的热膨胀系数，从而减少金属钎料与陶瓷材料之间的热膨胀系数差异，从而有效缓解接头的残余应力；
2、三维负膨胀网络复合中间层材料中的泡沫金属可以提高接头的增韧性以及应变容纳能力，从而缓解接头的残余应力，提高接头的质量；
3、三维负膨胀网络复合中间层材料中的负膨胀材料负载在泡沫金属表面，三维负膨胀网络复合中间层有效地保证了负膨胀材料在焊缝中均匀分布，可以在一定程度上缓解负膨胀材料团聚的现象，从而实现良好的接头结构；
4、负膨胀材料与钎料具有好的润湿性，三维通孔结构可以保证钎料很好的渗入到网络结构中，保证了增强体与负膨胀材料的结合性，
5、本实施方式钎焊SiC陶瓷和GH3536金属异种材料，接头结构良好，未发现明显的裂纹和缺陷，剪切强度增加到50MPa～80MPa，性能可提升两倍以上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将前驱体洗涤并干燥具体是按以下步骤进行：将前驱体用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次，然后在温度为60℃～120℃的条件下，干燥3h～24h。其它与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或二之一不同的是：步骤一所述的阳离子金属盐为硝酸钪、氯化钪、硝酸钇或氯化钇。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述的阴离子金属盐为钼酸钠、钨酸钠、钼酸铵或钨酸铵。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述的泡沫金属为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁或泡沫钛；步骤一所述的泡沫金属孔隙率为40PPI～110PPI，厚度为0.1毫米～1毫米。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中然后以2℃/min～20℃/min的升温速度，将温度升温至600℃～800℃，并在温度为600℃～800℃的条件下，保温1h～4h。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述的待焊陶瓷为Si3N4陶瓷、SiC陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所述的待焊金属为TC4合金、GH3536合金、316不锈钢或Nb金属。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三所述的钎料片为AgCuTi箔片、TiCu箔片、TiNi箔片或TiZrNiCu箔片。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为860℃～1300℃的条件下，保温为10min～40min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，它是按以下步骤进行的：
一、制备三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体：
称取1mmol阳离子金属盐和0.22mmol阴离子金属盐，在超声水浴条件下，向去离子水中加入阳离子金属盐与阴离子金属盐，搅拌直至分散均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于反应釜中，然后将泡沫金属浸渍于混合溶液中，在温度为180℃的条件下，水热反应8h，然后自然冷却至室温，得到前驱体，将前驱体洗涤并干燥，得到三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体；
所述的阳离子金属盐为硝酸钇；
所述的阴离子金属盐为钼酸铵；
所述的阳离子金属盐中金属原子与阴离子金属盐中钼原子的原子比为2:3；所述的阳离子金属盐与阴离子金属盐的总质量与去离子水的体积比为1g:50mL；
二、制备三维负膨胀网络复合中间层材料：
将三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体置于管式炉中，且管式炉中气氛为氩气，并以气体流量为50sccm通入氩气，保持压强为恒压大气压，然后以5℃/min的升温速度，将温度升温至600℃，并在温度为600℃的条件下，保温2h，得到三维负膨胀网络复合中间层材料；
三、钎焊：
在两张钎料片之间放置三维负膨胀网络复合中间层材料，得到钎料片-中间层材料-钎料片，然后将钎料片-中间层材料-钎料片置于待焊金属与待焊陶瓷之间，得到待焊件，将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为860℃的条件下，保温为10min，最后冷却到室温，得到三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料，即SiC与GH3536的焊接件。
步骤一中将前驱体洗涤并干燥具体是按以下步骤进行：将前驱体用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次，然后在温度为60℃的条件下，干燥3h。
步骤一中所述的反应釜为带有聚四氟乙烯内衬的反应釜。
步骤一所述的泡沫金属为泡沫镍；步骤一所述的泡沫金属孔隙率为100PPI，厚度为0.2毫米。
步骤三中所述的待焊金属和待焊陶瓷为预处理后的待焊金属和预处理后的待焊陶瓷；所述的预处理后的待焊金属和预处理后的待焊陶瓷具体是按以下步骤制备：对待焊金属和待焊陶瓷表面进行机械打磨，化学清洗去除表面油污和杂质。
步骤三所述的待焊陶瓷为SiC陶瓷。
步骤三所述的待焊金属为GH3536合金。
步骤三所述的钎料片为AgCuTi箔片。
步骤二中所述的三维负膨胀网络复合中间层材料中负膨胀材料为Y2Mo3O12。
对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：步骤三中省略三维负膨胀网络复合中间层材料的使用。其它与实施例一相同。
图1为实施例一步骤二制备的三维负膨胀网络复合中间层材料的扫描电镜图。由图可知，所制备的三维负膨胀网络复合中间层可以有效地将负膨胀材料负载在泡沫金属表面，所制备的三维负膨胀网络复合中间层孔洞通透，利于钎料渗入，中间层结构完整无破坏，中间层呈现三维结构，保证负膨胀材料在焊缝中均匀分布。
图2为实施例一步骤二制备的三维负膨胀网络复合中间层材料的X射线谱图。由图可知，所制备的三位负膨胀网络复合中间层的物相组成为Y2Mo3O12和Ni物相，证明本发明成功制备了负膨胀材料，具有体积收缩效应。
图3为实施例一制备的SiC与GH3536的焊接件结构横截面背散射图。从图片中可以看出，负膨胀材料与钎料有良好的结合性，证明了本实施例制备的负膨胀材料和钎料具有好的润湿性。
在标准万能试验机上，以1mm/min的速率加载，图4为焊接件接头应力应变曲线，1为实施例一制备的SiC与GH3536的焊接件，2为对比实验一制备的SiC与GH3536的焊接件。从图片中可以看出，通过采用三维负膨胀网络复合中间层所制备的焊接结构所能达到的剪切强度为52MPa，相比于原始的接头(28MPa)提升了1.85倍，并且从图中可以看出采用三维负膨胀网络复合中间层所制备的焊接结构拥有更强的应变容纳能力。
本实施例制备的SiC与GH3536的焊接件接头强度良好，未发现明显的裂纹和缺陷。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤一所述的阳离子金属盐为硝酸钪；步骤一所述的阴离子金属盐为钼酸铵。步骤二中所述的三维负膨胀网络复合中间层材料中负膨胀材料为Sc2Mo3O12。其它与实施例一相同。
本实施例制备的SiC与GH3536的焊接件接头强度良好，未发现明显的裂纹和缺陷，在标准万能试验机上，以1mm/min的速率加载，得到的剪切强度增加到约50MPa，性能可提升1.5倍以上，明显高于原始AgCuTi钎料箔片焊接的街头结构(20MPa～30MPa)。

Claims (4)

1.一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、制备三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体：
在超声水浴条件下，向去离子水中加入阳离子金属盐与阴离子金属盐，搅拌直至分散均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于反应釜中，然后将泡沫金属浸渍于混合溶液中，在温度为180℃的条件下，水热反应9h，然后自然冷却至室温，得到前驱体，将前驱体洗涤并干燥，得到三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体；
所述的阳离子金属盐中金属原子与阴离子金属盐中钼原子或钨原子的原子比为2:3；所述的阳离子金属盐与阴离子金属盐的总质量与去离子水的体积比为1g:50mL；
所述的阳离子金属盐为硝酸钪、氯化钪、硝酸钇或氯化钇；所述的阴离子金属盐为钼酸钠、钨酸钠、钼酸铵或钨酸铵；所述的泡沫金属为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁或泡沫钛；所述的泡沫金属孔隙率为100PPI，厚度为0.2毫米；
二、制备三维负膨胀网络复合中间层材料：
将三维负膨胀网络复合中间层材料前驱体置于管式炉中，且管式炉中气氛为氩气，并以气体流量为50sccm通入氩气，保持压强为恒压大气压，然后以5℃/min的升温速度，将温度升温至600℃，并在温度为600℃的条件下，保温2h，得到三维负膨胀网络复合中间层材料；
三、钎焊：
在两张钎料片之间放置三维负膨胀网络复合中间层材料，得到钎料片-中间层材料-钎料片，然后将钎料片-中间层材料-钎料片置于待焊金属与待焊陶瓷之间，得到待焊件，将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为700℃～1300℃的条件下，保温为5min～40min，最后冷却到室温，得到三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料；
所述的待焊陶瓷为Si3N4陶瓷、SiC陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷；所述的待焊金属为TC4合金、GH3536合金、316不锈钢或Nb金属；所述的钎料片为AgCuTi箔片、TiCu箔片、TiNi箔片或TiZrNiCu箔片。
2.根据权利要求1所述的一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，其特征在于步骤一中将前驱体洗涤并干燥具体是按以下步骤进行：将前驱体用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次，然后在温度为60℃～120℃的条件下，干燥3h～24h。
3.根据权利要求1所述的一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，其特征在于步骤二中然后以2℃/min～20℃/min的升温速度，将温度升温至600℃～800℃，并在温度为600℃～800℃的条件下，保温1h～4h。
4.根据权利要求1所述的一种三维负膨胀网络复合中间层材料辅助钎焊异种材料的方法，其特征在于步骤三中将待焊件置于真空炉中，在钎焊温度为860℃～1300℃的条件下，保温为10min～40min。
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