CN113843468A - 一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，涉及电化学焊接技术领域。本发明包括以下步骤：将表面抛光好的金属母材和陶瓷母材表面贴合在一起，并用可通电的夹具夹紧，制成焊接偶；将制备好的焊接偶置于工业气氛炉内，并对气氛炉腔体持续吹入惰性气体；拟定适宜的焊接温度区间，将焊接偶加热到预先拟定的温度点并保温；设定电流密度参数，待炉内温度均匀稳定后，通入直流电流；将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点；冷却至室温，获得钎焊接头。本发明实现了焊接偶的可靠性连接；进一步提升焊接质量；突破了传统金属‑陶瓷连接对高真空的依赖限制；降低焊接成本，拓展了母材的选择范围。
Description
技术领域
本发明属于电化学焊接技术领域，特别是涉及一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法。
背景技术
金属/陶瓷连接需求大，应用广泛，但是由于陶瓷本身的焊接性能较差，焊接条件要求通常较为苛刻。金属/陶瓷焊接接头的可靠性与金属-陶瓷界面的交互作用（包括传质行为以及界面化学反应等）密切相关。现有技术往往是需要通过在较高真空和较高温度条件下，在金属/陶瓷界面填充易于与陶瓷发生界面反应的活性元素（钎料和助焊剂）的方式，构建母材界面的交互作用，从而达到焊接的目的，其存在以下问题：
1、金属-陶瓷的连接对气氛要求过高，需要在高真空下进行；2、金属-陶瓷连接需要金属母材或界面填充物含有陶瓷界面活性元素，焊接成本高，焊接材料的选择局限性大。
为此，本发明提供了在一种工业气氛条件下的，同时不需要添加任何界面活性元素的焊接方法，采用本方法可以有效地实现金属-陶瓷的可靠性连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，以解决了现有的问题：对气氛要求高、焊接成本高，焊接材料的选择局限性大。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，所述方法包括以下步骤：
将表面抛光好的金属母材和陶瓷母材表面贴合在一起，并用可通电的夹具夹紧，制成焊接偶；
将制备好的焊接偶置于工业气氛炉内，并对气氛炉腔体持续吹入惰性气体；
根据所选金属母材的特性拟定适宜的焊接温度区间，将焊接偶加热到预先拟定的温度点并保温；
根据金属-陶瓷母材的性质，设定电流密度参数，待炉内温度均匀稳定后，打开直流电源的通电开关，通入直流电流；
将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点，完成电流耦合焊接；
通电结束后冷却至室温，获得钎焊接头。
进一步优选的，所述焊接温度区间为金属母材熔点的70%～90%。
进一步优选的，所述电流密度参数为0～0.2A/cm2。
进一步优选的，所述金属母材是需要连接陶瓷的金属或合金。
进一步优选的，所述陶瓷母材为固体电解质陶瓷或导电陶瓷。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用直流电对于金属-陶瓷的界面化学反应的驱动作用，使金属-陶瓷界面产生交互作用，实现焊接偶的可靠性连接。
本发明利用直流电的界面显微结构调控作用，针对不同的金属-陶瓷体系，可以通过电流参数的调整，精确调控界面元素的扩散强度、反应产物的形貌、种类和数量，从而进一步提升焊接质量。
本发明在工业惰性气氛保护下，即能够形成良好的焊接接头，突破了传统金属-陶瓷连接对高真空的依赖限制。
本发明的金属母材不局限于含有陶瓷表面活性元素，也不需要在金属和陶瓷之间添加任何额外的活性元素，即可实现连接，在降低焊接成本的同时，拓展了母材的选择范围。
附图说明
图1为1200℃工业气氛下不同电流条件下Ni-ZrO2焊接接头界面的背散射显微结构照片。
图2为Ni-ZrO2焊接接头剪切强度随电流强度变化曲线。
图3为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明利用在金属-陶瓷固相界面施加适当的直流电，为两种母材的界面交互作用提供额外的驱动力，达到使工业气氛下无法焊接的体系形成良好焊接接头的目的。
具体的，参阅图3，本发明的一种工业气氛下金属-陶瓷的连接方法其具体实施步骤如下：
步骤1.将表面抛光好的金属母材和陶瓷母材表面贴合在一起，并用可通电的夹具夹紧，制成焊接偶；
步骤2.将上述制备好的焊接偶置于工业气氛炉内，并对气氛炉腔体持续吹入惰性气体；
步骤3.根据所选金属母材的特性拟定适宜的焊接温度区间（金属母材熔点的70%～90%），将焊接偶加热到预先拟定的温度点并保温；
步骤4.根据金属-陶瓷母材的性质，将电流密度参数设定为0～0.2A/cm2，待炉内温度均匀稳定后，打开直流电源的通电开关，通入直流电流；
步骤5.将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点，完成电流耦合焊接；
步骤6.通电结束后冷却至室温，获得钎焊接头。
技术方案中所述的金属母材是指实际生产中常见的需要连接陶瓷的金属或合金。技术方案中所述的陶瓷母材是指实际生产中常见的固体电解质陶瓷或各类导电陶瓷。技术方案中直流电的电子流动方向均为金属指向陶瓷。
为方便具体理解，举例为实施例1如下：
实施例1：
以Ni基板-3Y-ZrO2母材为例，使用本发明方法进行：
步骤1.将表面抛光好的Ni基板（99.99wt.%）和3Y-ZrO2母材表面贴合在一起，并用特制的可通电夹具夹紧，制成焊接偶；
步骤2.将上述制备好的焊接偶置于工业气氛炉内，并对气氛炉腔体持续吹入惰性气体；
步骤3.根据金属Ni以及3Y-ZrO2的特性拟定的焊接温度区间（Ni熔点的70%～90%），将焊接偶加热到预先拟定的温度1200℃并保温；
步骤4.根据Ni以及3Y-ZrO2母材的性质，将电流密度参数设定为0～0.16 A/cm2（根据基板的尺寸换算为电流强度在0～500mA），待炉内温度均匀稳定后，打开直流电源的通电开关，通入直流电流；
步骤5.将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点，保温时间为5min，完成电流耦合焊接；
步骤6.通电结束后冷却至室温，获得钎焊接头。
具体请参看图1，其中，(a)100mA,5min能谱线扫描图片;(b)200mA,5min能谱线扫描图片;(c)300mA,5min能谱线扫描图片;(d)400mA,5min能谱线扫描图片;(e)400mA,5min能谱线扫描图片。图1显示的是1200℃工业气氛下不同电流条件下Ni-ZrO2焊接接头界面的背散射显微结构照片及能谱图片。从图(a)和(e)中可以看出，电流强度较低时，界面处形成了约10微米厚的界面反应产物层，而氧化锆一侧则形成了微量的Ni扩散，随着电流强度的增加，Ni向氧化锆的扩散不断增强，而界面产物层的厚度则变化不大，这可能是由于一方面，在电子流的作用下Ni元素受到电迁移效应的影响不断向正极侧迁移；另一方面，界面失氧后的Zr元素虽然获得了更大的活性，但固态下晶格结构的束缚以及电子流的抑制作用使Zr无法在界面处形成更高浓度的富集，从而导致了界面产物生长缓慢。总体看来，虽然实验过程中并没有产生液相并形成界面润湿，但是在电流场的作用下，界面几乎没有生成气孔和氧化夹杂缺陷，界面结合良好。
具体请参看图2，图2显示的是Ni-ZrO2焊接接头剪切强度随电流强度变化曲线。从图中可以看出，不通电时，实验条件下Ni-ZrO2体系无法形成连接，通入100mA电流以后，焊接偶获得了一定的剪切强度，随着电流强度的增加剪切强度不断提升，300mA时可以达到120MPa,进一步提升电流强度，剪切强度则不再发生变化。结合图1可以看出，该体系中界面产物层的生成可以在一定程度上提升力学性能，但影响有限，而Ni向界面失氧ZrO2的扩散可能是剪切强度提升的主要原因：电流强度较低时，Ni元素向陶瓷的扩散区不断增大，Ni在界面附近与Zr的交互作用使失氧之后陶瓷保持了较高的强度；而电流超过300mA以后，界面附近的Ni扩散区可能接近饱和，致使Ni进一步的扩散不再对界面强度产生作用，从而导致了较大电流强度作用下，界面剪切强度不再有进一步的提升。
综合上述可知：
1.本发明利用直流电对于金属-陶瓷的界面化学反应的驱动作用，使金属-陶瓷界面产生交互作用，实现焊接偶的可靠性连接。
2.本发明利用直流电的界面显微结构调控作用，针对不同的金属-陶瓷体系，可以通过电流参数的调整，精确调控界面元素的扩散强度、反应产物的形貌、种类和数量，从而进一步提升焊接质量。
3.本发明在工业惰性气氛保护下，即能够形成良好的焊接接头，突破了传统金属-陶瓷连接对高真空的依赖限制。
4. 本发明的金属母材不局限于含有陶瓷表面活性元素，也不需要在金属和陶瓷之间添加任何额外的活性元素，即可实现连接，在降低焊接成本的同时，拓展了母材的选择范围。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将表面抛光好的金属母材和陶瓷母材表面贴合在一起，并用可通电的夹具夹紧，制成焊接偶；
将制备好的焊接偶置于工业气氛炉内，并对气氛炉腔体持续吹入惰性气体；
根据所选金属母材的特性设定焊接温度区间，将焊接偶加热到预先拟定的温度点并保温；
根据金属-陶瓷母材的性质，设定电流密度参数，待炉内温度均匀稳定后，打开直流电源的通电开关，通入直流电流；
将通电初始时刻记为起始时间点，通电终了时刻记为结束时间点，完成电流耦合焊接；
通电结束后冷却至室温，获得钎焊接头。
2.根据权利要求1所述的一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，其特征在于，所述焊接温度区间为金属母材熔点的70%～90%。
3.根据权利要求1所述的一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，其特征在于，所述电流密度参数为0～0.2A/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，其特征在于，所述金属母材是需要连接陶瓷的金属或合金。
5.根据权利要求1所述的一种工业气氛下金属和陶瓷的连接方法，其特征在于，所述陶瓷母材为固体电解质陶瓷或导电陶瓷。
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