CN114874024A - 一种复合材料、复合材料的制造方法及活塞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合材料、复合材料的制造方法及活塞，复合材料的制造方法为：使用气相沉积工艺在陶瓷材料的表面形成金属膜层，再使金属材料和带有金属膜层的陶瓷材料贴合，进行扩散焊接，得到复合材料。通过预先对陶瓷材料表面进行处理，使陶瓷材料表面能形成容易与金属材料结合的金属膜层，经过扩散焊接后，能使金属材料和陶瓷材料牢固结合，采用此种方法所制得的活塞具有高可靠性且使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷复合材料技术领域，尤其涉及一种复合材料、复合材料的制造方法及活塞。
背景技术
内燃机在运行时，气缸内的高温可能会使活塞顶部产生裂纹，严重时会产生环岸断裂。上述问题的一种解决方法是利用陶瓷材料的耐高温特性在活塞顶部制造陶瓷层，常用方法为采用钎焊连接陶瓷和金属，利用熔化的液态钎料润湿被连接材料表面，从而填充接头间隙，通过母材与钎料间元素的互扩散实现连接。但陶瓷与金属是两种理化特性截然不同的材料，金属钎料在陶瓷表面的润湿性较差，在连接成为一体化构件时，往往会因为二者的理化特性差异过大，导致接头存在残余应力过大，使得金属与陶瓷之间难以产生牢固的结合，接头连接强度较低、稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料及其制造方法，使金属和陶瓷能牢固结合。
本发明的另一个目的在于提供一种活塞，具有高可靠性且使用寿命长。
上述技术问题通过以下技术方案进行解决：
一方面，提供一种复合材料的制造方法，包括如下步骤：
S1.使用气相沉积工艺在陶瓷材料的表面形成金属膜层；
S2.使金属材料和带有金属膜层的所述陶瓷材料贴合，进行扩散焊接，得到复合材料。
气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨层或具有特殊的光学、电学性能)的金属或化合物涂层的新技术。采用气相沉积工艺来镀膜，能使金属膜层的膜层致密，与陶瓷材料结合牢固，膜厚且均匀，膜层质量稳定。
在其中一个实施例中，步骤S1包括：在真空室内设置金属靶，待真空度抽至低于5×10-4Pa后向真空室中通入惰性气体，保持压强为0.1～0.7Pa，然后打开电源，在所述陶瓷材料的表面沉积金属膜层。
在其中一个实施例中，步骤S2包括：将所述金属材料和带有金属膜层的所述陶瓷材料放入焊接设备中，对所述焊接设备抽真空，然后充入氩气作为保护气，并在保护气氛下使所述焊接设备升温。
在其中一个实施例中，升温速率为2～18℃/min，焊接温度为500～600℃，焊接温度的保温时间为10～80min，焊接设备施加的压强为5～12MPa。
在其中一个实施例中，所述陶瓷材料为氮化硅陶瓷。
氮化硅是一种无机物，化学式为Si3N4。氮化硅陶瓷在高温环境中具有较高的强度、硬度，热膨胀系数低，且具有良好的耐磨性、抗蠕变能力和抗氧化性，广泛应用于航空航天技术以及反应堆中的高温结构件、支撑件等领域。此外，由于氮化硅良好的耐磨损性能和韧性，作为耐磨损零部件在工程领域的应用也越来越多，如发动机部件、轴承以及切削刀具中。氮化硅相对分子质量为140.28，硅、氮两种元素电负性相近，属强共价键结合的化合物。三维网络状的强共价键不仅带来了高的机械强度，同时也能抑制氮原子和硅原子的自扩散，使得烧结致密化所必需的体积扩散速度、晶界扩散速度及烧结驱动力都很小。采用氮化硅作为陶瓷材料，能使复合材料活塞具备优良的性能。
在其中一个实施例中，所述陶瓷材料采用如下方法制造：
S10.以硅粉和烧结助剂Y2O3-La2O3为原料，混合成型，对成型的素胚进行氮化处理，得到反应烧结氮化硅；
S20.将所述反应烧结氮化硅置于氮化硅粉末中，在氮气气氛下进行烧结。
反应烧结氮化硅是以98.5％纯度的硅粉为原料，在高温氮化反应炉中进行氮化制成的，直接由硅粉与氮气反应生成氮化硅的数量较少，大部分氮化硅是硅粉先经氧化，后与氮气作用，经过一系列反应而生成的，微量氧气来源于硅粉与氮气中的残余或者炉体耐火材料中的空气。采用两步烧结法来制造陶瓷材料，第一步的原料为易于获得的硅粉，成本低，氮化后的氮化硅晶粒比原始硅粉的颗粒小。第一步反应制得的反应烧结氮化硅相较于氮化硅粉末，含氧量更少，能获得更好的晶界相。
在其中一个实施例中，在步骤S10中，所述素胚在1250～1450℃、0.3～1.4MPa的氮气压力下，进行8～20h的氮化处理；在步骤S20中，在1650～1850℃、0.6～6MPa的氮气压力下进行3h的烧结。
氮化硅存在三种晶体结构，分别为α型、β型和γ型。其中α型为银白色针形，β型为灰黑色短棒状，这两种结构为最常见的氮化硅相态，并可在常温常压下制得。α型在高温下不稳定，超过1300℃时会向稳定的β型转变。经过步骤S20后，样品经XRD分析，其主晶相为β型，说明α型已经转变为β型。
在其中一个实施例中，所述素胚中Y2O3-La2O3的重量百分比为5～25％。
另一方面，提供一种复合材料，采用上述任一技术方案所述的制造方法得到。
此外，还提供一种活塞，采用上述技术方案所述的复合材料制造得到。
本发明的有益效果是，通过预先对陶瓷材料表面进行处理，使陶瓷材料表面能形成容易与金属材料结合的金属膜层，经过扩散焊接后，能使金属材料和陶瓷材料牢固结合，采用此种方法所制得的活塞具有高可靠性且使用寿命长。
附图说明
图1为一实施例的复合材料活塞的结构示意图。
图中：1、第一构件；2、第二构件；3、过渡层。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一实施例的活塞包括第一构件1、第二构件2和过渡层3，过渡层3设置于第一构件1与第二构件2之间。在本实施例中，第一构件1为氮化硅陶瓷，第二构件2为4032铝合金。
本实施例中的第一构件1采用如下方法制造：
以硅粉和Y2O3-La2O3为原料，混合成型，其中的Y2O3-La2O3的重量百分比为15％，硅粉纯度为98.5％，对成型的素胚在1350℃、1.2MPa的氮气压力下，进行12h的氮化处理，得到反应烧结氮化硅；再将反应烧结氮化硅置于氮化硅粉末中，在1700℃、4.5MPa的氮气压力下进行3h的烧结，得到第一构件1。
本实施例的活塞采用如下方法制造：
将第一构件1放入真空室中，并在真空室内设置铝靶，待真空度抽至5×10-4Pa后向真空室中通入纯度为99.999％的氩气，保持压强为0.5Pa，然后打开电源，工作电压设为320V，工作电流为4A，沉积时间为35min，沉积温度为室温，在第一构件1的表面沉积一层铝膜。然后，使第二构件2和带有铝膜的第一构件1贴合，放入焊接设备中，对焊接设备抽真空，然后充入氩气作为保护气，在保护气氛下使焊接设备以15℃/min的速率升温，焊接温度为560℃，焊接温度的保温时间为60min，焊接设备施加的压强为9MPa，焊接完毕后得到活塞。
为了使铝膜更好地成型在第一构件1的表面，在将第一构件1放入真空室之前，先对第一构件1进行表面处理，具体方法为：
采用1000目的砂纸在金相研磨机上对第一构件1进行金相打磨至表面平整，然后采用粒度为1μm的金刚石研磨膏进行机械抛光处理至表面光亮，再在丙酮溶液中进行超声清洗去除表面油污，超声清洗时间为20min，最后将第一构件1放置于烘箱中，加热至110℃，保温100min进行干燥处理。
经检测，本实施例所制得的活塞的第一构件1和第二构件2界面的抗拉强度为75MPa。
对比例1
与实施例一的不同之处在于，铝膜的成型方法不同。首先将铝粉均匀涂覆在第一构件1的表面，铝粉厚度为100μm，在氩气保护气氛下，对第一构件1的表面进行激光熔覆处理。采用固体激光器产生激光，激光电流为220A，激光脉宽为3.5ms，激光频率为5Hz，激光扫描速度为150mm/min，熔覆过程结束并待第一构件1冷却至室温后，在第一构件1的表面形成铝膜。
经检测，本对比例所制得的活塞的第一构件1和第二构件2界面的抗拉强度为50MPa。
对比例2
与实施例一的不同之处在于，铝膜的成型方法不同。首先将铝粉均匀涂覆在第一构件1的表面，铝粉厚度为100μm，再将第一构件1放入真空炉中，当真空炉内降压到1.1×10-4Pa后，以900℃/h的升温速度对第一构件1进行加热，保温时间为8min，冷却后即得到表面覆盖有铝膜的第一构件1。
经检测，本对比例所制得的活塞第一构件1和第二构件2界面的抗拉强度为48MPa。
对比例3
与实施例一的不同之处在于，第一构件1的制造方法不同，具体步骤为：按Li2O和Al2O3摩尔比为0.8：1进行配比，放入坩埚中进行1000℃预烧；将预烧后的烧结助剂破碎，并与氮化硅粉体按质量比18:82进行配比，混合均匀；将混合均匀的粉体在氮气气氛下进行喷雾造粒，设定进口温度170℃，出口温度85℃，得到氮化硅粉造粒粉；将氮化硅粉造粒粉放入模具中，在160MPa冷等静压压力下进行成型，得到生坯；将生坯埋入氮化硅粉，以5℃/min的升温速率升温至1600℃，并保温3h，制得第一构件1。
经检测，本对比例所制得的活塞第一构件1和第二构件2界面的抗拉强度为65MPa。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.使用气相沉积工艺在陶瓷材料的表面形成金属膜层；
S2.使金属材料和带有金属膜层的所述陶瓷材料贴合，进行扩散焊接，得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，其特征在于，步骤S1包括：在真空室内放置金属靶和所述陶瓷材料，待真空度抽至低于5×10-4Pa后向真空室中通入惰性气体，保持压强为0.1～0.7Pa，然后打开电源，在所述陶瓷材料的表面沉积金属膜层。
3.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，其特征在于，步骤S2包括：将所述金属材料和带有金属膜层的所述陶瓷材料放入焊接设备中，对所述焊接设备抽真空，然后充入氩气作为保护气，并在保护气氛下使所述焊接设备升温。
4.根据权利要求3所述的复合材料的制造方法，其特征在于，升温速率为2～18℃/min，焊接温度为500～600℃，焊接温度的保温时间为10～80min，焊接设备施加的压强为5～12MPa。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合材料的制造方法，其特征在于，所述陶瓷材料为氮化硅陶瓷。
6.根据权利要求5所述的复合材料的制造方法，其特征在于，所述陶瓷材料采用如下方法制造：
S10.以硅粉和烧结助剂Y2O3-La2O3为原料，混合成型，对成型的素胚进行氮化处理，得到反应烧结氮化硅；
S20.将所述反应烧结氮化硅置于氮化硅粉末中，在氮气气氛下进行烧结。
7.根据权利要求6所述的复合材料的制造方法，其特征在于，在步骤S10中，所述素胚在1250～1450℃、0.3～1.4MPa的氮气压力下，进行8～20h的氮化处理；在步骤S20中，在1650～1850℃、0.6～6MPa的氮气压力下进行3h的烧结。
8.根据权利要求6所述的复合材料的制造方法，其特征在于，所述素胚中Y2O3-La2O3的重量百分比为5～25％。
9.一种复合材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的制造方法得到。
10.一种活塞，其特征在于，采用如权利要求9所述的复合材料制造得到。
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