CN116332629B - 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法 - Google Patents

一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116332629B
CN116332629B CN202310329185.XA CN202310329185A CN116332629B CN 116332629 B CN116332629 B CN 116332629B CN 202310329185 A CN202310329185 A CN 202310329185A CN 116332629 B CN116332629 B CN 116332629B
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
titanium alloy
ceramic
alumina ceramic
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310329185.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN116332629A (zh
Inventor
陈朝然
张兆泉
刘学建
范武刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Ceramics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority to CN202310329185.XA priority Critical patent/CN116332629B/zh
Publication of CN116332629A publication Critical patent/CN116332629A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116332629B publication Critical patent/CN116332629B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明涉及一种氧化铝陶瓷‑钛合金一体化复合结构及其制备方法。所述复合结构具有钛合金表面金属化基体‑过渡层‑氧化铝陶瓷基体结构；所述制备方法包括：钛合金表面化学施镀第一金属得钛合金表面金属化基体；氧化铝陶瓷、ZTA陶瓷、第二金属粉及助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体混合得氧化铝陶瓷基体粉；镀镍α‑Al2O3、氧化锆、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料混合得过渡层复合粉；过渡层复合粉、氧化铝陶瓷基体粉加压得复合陶瓷坯体；第一次烧结得复合陶瓷结构；将复合陶瓷结构与钛合金表面金属化基体装填于模具，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触，经第二次烧结，得氧化铝陶瓷‑钛合金一体化复合结构。

Description

一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法
技术领域
本发明属于金属-陶瓷复合材料焊接领域，具体涉及一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法。
背景技术
Al2O3陶瓷是一种具有高强度、良好的耐磨性、良好的绝缘性能、优异的抗腐蚀性的材料，经常被应用在航空航天、机械、化工等多个领域。然而，Al2O3陶瓷存在脆性较大、难以加工成复杂形状等缺点。钛合金熔点在1570-1650℃，作为结构材料具有密度小、抗拉强度高、比强度大、抗腐蚀、耐热、低温冲击韧性良好等诸多优点。比强度是评价航空及宇航工业用材料的重要指标，高温下TC4仍具有足够高的强度。因此，该合金在航空、宇航学、造船、电子封装等方面日益获得广泛应用。在以上众多应用中，很多都需要钛合金和陶瓷结合起来使用，形成陶瓷/钛合金异种接头。
陶瓷与金属焊接连接的两大核心难点，一是两者的热膨胀系数差异大，在焊接和使用过程中，加热和冷却必然产生热应力，由于残余应力的作用必然容易在接头处破坏，二是两者的润湿性较差。钎焊是焊接陶瓷与金属常用的方法，陶瓷的钎焊以钎料在陶瓷表面能够润湿为前提，但是一般来说陶瓷很难被钎料润湿。同时，钎焊的缺点在于接头的结合强度不高，主要用于密封的焊缝。对于结构陶瓷而言，连接界面往往需要承受较高的应力，需要选择活性金属作为中间层，以改善和促进金属在陶瓷表面的润湿。
陶瓷和金属的热膨胀系数不同，在扩散焊和使用过程中，加热和冷却会产生热应力，残余应力的作用必然容易在接头处破坏，因此常加入中间层吸收这种内应力。中间层一般为活性金属为主，对于中间层的厚度及种类要求比较高，但是很多中间层容易与金属反应生成脆性的碳化物，从而使得接头性能变差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目在于提供一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法，以解决现有焊料所存在的焊接温度较低、焊接接头结合强度差等问题，从而获得陶瓷-金属之间良好的热膨胀系数匹配性，提高陶瓷-金属复合结构的耐高温性能。
第一方面，本发明提供了一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的制备方法，所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构具有钛合金表面金属化基体-过渡层-氧化铝陶瓷基体结构；
所述制备方法包括：
(1)在钛合金表面化学施镀第一金属，得到钛合金表面金属化基体；
(2)将氧化铝陶瓷粉、ZTA陶瓷粉、第二金属粉以及烧结助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体混合，得到氧化铝陶瓷基体粉；以所述氧化铝陶瓷基体原料粉体的总质量为100％计，氧化铝陶瓷粉的质量占比为80-90％，ZTA陶瓷粉的质量占比为1-10％，第二金属粉的质量占比为1-10％，烧结助剂的质量占比为0.5-2％；
(3)将镀镍α-Al2O3粉、氧化锆粉、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料混合，得到过渡层复合粉；以过渡层复合粉体原料的总质量为100％计，镀镍α-Al2O3粉的质量占比为50-80％，氧化锆粉的质量占比为10-20％，第三金属粉的质量占比为5-30％；
(4)将过渡层复合粉、氧化铝陶瓷基体粉依次加入模具中，加压得到复合陶瓷坯体；经第一次烧结，得到具有过渡层-氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构；
(5)将复合陶瓷结构与钛合金表面金属化基体装填于模具，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触，经第二次烧结，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
较佳地，所述第一金属为镍、铜或者镍铬合金；化学施镀第一金属的镀液温度为80～90℃，施镀速度为20～25μm/h；控制化学施镀得到的第一金属膜层厚度为10-50μm。
较佳地，所述氧化铝陶瓷粉为α-Al2O3陶瓷粉；
所述ZTA陶瓷为氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷，其中：所述氧化铝为α-Al2O3，质量百分含量为60-90wt％；氧化锆为3Y-ZrO2、5Y-ZrO2、8Y-ZrO2中的至少一种，质量百分含量为10-40wt％。
较佳地，所述第二金属粉为Ni粉、Mo粉、Cu粉、Ti粉、Nb粉、钛合金粉中的至少一种；所述烧结助剂为氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化硅中的至少一种。
较佳地，所述第三金属为钛合金、Ti、Ni、Cu、Nb中的至少一种。
较佳地，控制质量比氧化铝陶瓷基体粉：过渡层复合粉＝(3-6):1。
较佳地，所述第一次烧结在真空炉中进行，真空度低于1×10-2Pa；烧结温度为1450-1700℃，保温时间为0.5-2小时；在1000-1200℃时通入氩气。
较佳地，所述第二次烧结在真空热压炉中进行，压强为1-30MPa，真空度低于3×10-3Pa，烧结温度为800-1300℃，保温时间为0.1-1小时。
第二方面，本发明提供了一种根据上述制备方法得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
有益效果
本发明通过过渡层成分设计及三层结构设计，在钛合金表面金属化，过渡层可与钛合金基体及氧化铝基体发生一定程度的反应形成相互结合的微观区域，在宏观上增加氧化铝陶瓷与钛合金之间的润湿性。同时，通过梯度调控过渡层体系组合结构，建立氧化铝陶瓷及钛合金之间热膨胀系数的梯度过渡，实现了更好的热膨胀系数匹配性，从而实现复合材料物理性能从氧化铝陶瓷母材到钛合金的梯度过渡，缓解接头处的残余应力，获得良好的焊接性能，接头无裂纹、气孔等连接缺陷，提高接头处的强度。
附图说明
图1为实施例1制备的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构中氧化铝陶瓷基体的界面SEM图；
图2为实施例1制备的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构微观形貌图。
具体实施方式
通过实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供了一种氧化铝陶瓷与钛合金的高效焊接方法，通过三层结构设计，实现陶瓷-金属无钎料焊接连接。改善了陶瓷-金属间的润湿性，解决了陶瓷-金属热膨胀系数不匹配的难题，以及高温工作环境下低熔点钎料对陶瓷金属复合结构界面处的影响，实现更好的热膨胀系数匹配性，提高了氧化铝陶瓷-钛合金复合结构的高温应用性。
以下，示例性说明本发明提供的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的制备方法，所述制备方法可以包括以下步骤。
(1)钛合金表面金属化基体制备。用砂纸打磨钛合金表面，然后用王水去除钛合金表面氧化膜进行表面酸洗粗化，无水乙醇超声波清洗，干燥；将干燥后的钛合金进行表面活化，之后在其表面化学施镀第一金属，从而在所述钛合金表面形成厚度为10-50μm的第一金属膜层，得到所述钛合金表面金属化基体。
在一些实施方式中，所述钛合金可以为TC4(Ti-6Al-4V)。
在一些实施方式中，所述表面酸洗粗化的温度可以控制在50～60℃。
在一些实施方式中，所述第一金属可以为镍、铜或者镍铬合金。其中，化学施镀第一金属的镀液温度可以控制为80～90℃，施镀速度可以控制在20～25μm/h。镍、铜或者镍铬合金与陶瓷的润湿性好，可以发挥降低陶瓷与金属之间的润湿角的作用，便于建立陶瓷-金属之间的连接。
(2)氧化铝陶瓷基体粉制备。取氧化铝陶瓷粉、ZTA陶瓷粉、第二金属粉以及烧结助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体，乙醇作为润滑剂，球磨混合均匀；干燥，得到所述氧化铝陶瓷基体粉。
在一些实施方式中，所述氧化铝陶瓷粉可以为α-Al2O3陶瓷粉，粒径可以为1-20μm。所述α-Al2O3为三方晶系，结构紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能较佳。
所述ZTA陶瓷为氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷，可以控制所述ZTA陶瓷粉的粒径为10-100μm。在一些实施方式中，所述ZTA陶瓷可以为氧化锆增韧α-Al2O3复相陶瓷，其中α-Al2O3的质量百分含量可以控制为60-90wt％，氧化锆的质量百分含量可以控制为10-40wt％。所述氧化锆可以为3Y-ZrO2、5Y-ZrO2、8Y-ZrO2中的至少一种。
ZTA陶瓷(ZrO2增韧Al2O3陶瓷)是在Al2O3中添加ZrO2并在高温下烧结而成的复相陶瓷。两者结合形成高强度、高韧性的优质硬质颗粒，具有良好的耐磨性和断裂韧性。利用四方晶型ZrO2的马氏体相变和细化的Al2O3晶粒可以提高Al2O3陶瓷基体的韧性。除此之外，ZTA陶瓷的热膨胀系数与Fe的热膨胀系数接近，通过加入ZTA颗粒，一方面可以提高氧化铝陶瓷基体的热膨胀系数，使之与金属相接近，另一方面ZTA陶瓷颗粒可以提高氧化铝陶瓷基体的韧性及耐磨性。
在一些实施方式中，所述第二金属粉可以选择Ni粉、Mo粉、Cu粉、Ti粉、Nb粉、钛合金粉中的至少一种；所述第二金属粉的粒径可以为1-10μm。在氧化铝陶瓷基体中加入第二金属粉，一方面可以提高氧化铝复合基体粉的热膨胀系数，使之与金属相接近，另一方面可以改善氧化铝陶瓷基体与金属的润湿性，在连接过程中，建立金属-金属之间的连接。
在一些实施方式中，所述烧结助剂可以为氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化硅中的至少一种。
在一些实施方式中，以所述氧化铝陶瓷基体原料粉体的总质量为100％计，氧化铝陶瓷粉的质量占比可以为80-90％，ZTA陶瓷粉的质量占比可以为1-10％，第二金属粉的质量占比可以为1-10％，烧结助剂的质量占比可以为0.5-2％。
在一些实施方式中，所述球磨的磨球为氧化铝陶瓷球，球磨转速为100-180rpm，球磨时间为0.5-3h。
(3)过渡层复合粉制备。称取镀镍α-Al2O3粉、氧化锆粉、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料，乙醇作为润滑剂，球磨混合均匀；干燥，得到所述过渡层复合粉。
在一些实施方式中，所述镀镍α-Al2O3粉可以通过α-Al2O3化学镀镍制得。所述镀镍α-Al2O3粉的粒径可以为1-20μm。镀镍α-Al2O3粉可以改善陶瓷-金属的润湿性，从而使得制备的氧化铝陶瓷基体与过渡层及金属层建立金属-金属之间的连接。
所述氧化锆粉的粒径可以为1-20μm。所述过渡层中加入的氧化锆可以为3Y-ZrO2、5Y-ZrO2、8Y-ZrO2中的至少一种。
在一些实施方式中，所述第三金属可以为钛合金、Ti、Ni、Cu、Nb中的至少一种；所述第三金属粉的粒径可以为1-20μm。在过渡层中加入第三金属粉一方面可以提高过渡层的热膨胀系数，使之与金属及氧化铝陶瓷基体相接近，另一方面可以改善过渡层与金属的润湿性，在连接过程中，建立金属-金属之间的连接。
在一些实施方式中，以过渡层复合粉体原料的总质量为100％计，镀镍α-Al2O3粉的质量占比可以为50-80％，氧化锆粉的质量占比可以为10-20％，第三金属粉的质量占比可以为5-30％。
在一些实施方式中，所述球磨的磨球为氧化铝陶瓷球，球磨转速为100-180rpm，球磨时间为0.5-3h。
(4)复合陶瓷结构制备。将步骤(3)制备得到的过渡层复合粉加入干压模具中，然后向所述过渡层复合粉上方加入步骤(2)制备得到的氧化铝陶瓷基体粉，依次进行干压、等静压处理，得到复合陶瓷坯体；经第一次烧结，得到具有过渡层-氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构。
在一些实施方式中，可以控制质量比氧化铝陶瓷基体粉：过渡层复合粉＝(3-6):1。
在一些实施方式中，所述第一次烧结可以在真空炉中进行，真空度低于1×10-2Pa；烧结温度可以为1450-1700℃，保温时间可以为0.5-2小时；在1000-1200℃时通入氩气。
(5)氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构制备。将步骤(4)制备得到的复合陶瓷结构与步骤(1)制备得到的钛合金表面金属化基体装填于热压模具内，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触；然后，将热压模具放入热压烧结炉中进行第二次烧结，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
在一些实施方式中，所述第二次烧结在真空热压炉中进行，压强为1-30MPa，真空度低于3×10-3Pa，烧结温度为800-1300℃，保温时间为0.1-1小时。
通过本发明提供的制备方法得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构具有钛合金表面金属化基体-过渡层-氧化铝陶瓷基体三层结构。
通过电子万能试验机进行压剪试验测试本发明提供的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度可知，本发明提供的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为50-100MPa。
本发明通过过渡层成分设计及三层结构设计，在钛合金表面金属化，过渡层可与钛合金基体及氧化铝基体发生一定程度的反应形成相互结合的微观区域，在宏观上增加氧化铝陶瓷与钛合金之间的润湿性。同时，通过梯度调控过渡层体系组合结构，建立氧化铝陶瓷及钛合金之间热膨胀系数的梯度过渡，实现了更好的热膨胀系数匹配性，从而实现复合材料物理性能从氧化铝陶瓷母材到钛合金的梯度过渡，缓解接头处的残余应力，获得良好的焊接性能，接头无裂纹、气孔等连接缺陷，提高接头处的强度。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围，下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
(1)钛合金表面金属化基体制备。
用砂纸打磨钛合金TC4表面，然后50℃下用王水去除钛合金表面氧化膜进行表面酸洗粗化，无水乙醇超声波清洗，干燥；将干燥后的钛合金进行表面活化，之后进行钛合金表面化学施镀金属镍，控制镀液温度为90℃、施镀速度为20μm/h，从而在所述钛合金表面形成金属镍膜层，得到所述钛合金表面金属化基体。
(2)氧化铝陶瓷基体粉制备。
取80wt％的α-Al2O3陶瓷粉、10wt％的ZTA陶瓷粉、4wt％的金属Ni粉、5wt％的金属Mo粉以及0.5wt％烧结助剂CaO、0.5wt％烧结助剂MgO组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体，乙醇作为润滑剂，球磨混合均匀，干燥，得到所述氧化铝陶瓷基体粉。
其中，所述ZTA陶瓷粉中，α-Al2O3质量百分比60％、5Y-ZrO2质量百分比40％。
(3)过渡层复合粉制备。
取50wt％的镀镍α-Al2O3粉、20wt％的氧化锆粉(5Y-ZrO2)、10wt％的钛合金粉、10wt％的金属Ni粉、10wt％的金属Cu粉组成的过渡层复合粉体原料，乙醇作为润滑剂，球磨混合均匀，干燥，得到所述过渡层复合粉。
(4)复合陶瓷结构制备。
将步骤(3)制备得到的过渡层复合粉加入干压模具中，然后向所述过渡层复合粉上方加入步骤(2)制备得到的氧化铝陶瓷基体粉，控制氧化铝陶瓷基体粉与过渡层复合粉的重量比为3:1；依次进行干压、等静压处理，得到复合陶瓷坯体；将复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1450℃，保温0.5小时，真空度低于1×10-2Pa，在1000℃时通入氩气，得到具有过渡层-氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构。
(5)氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构制备。
将步骤(4)制备得到的复合陶瓷结构与步骤(1)制备得到的钛合金表面金属化基体装填于热压模具内，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触；然后，将热压模具放入热压烧结炉中，压强10MPa，真空度低于3×10-3Pa，加热至800℃进行烧结0.1h，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
图1为实施例1制备的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构中氧化铝陶瓷基体的界面SEM图。从图中可以看出，各晶粒间结合紧密，致密度高。
图2为实施例1制备的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构微观形貌图。从图中可以看出，接头中各界面结合良好，未存在明显裂纹与孔隙等缺陷。
通过检测可知，本实施例1中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为78MPa。
实施例2
制备工艺参照实施例1，主要区别在于：
步骤(1)中，表面酸洗粗化温度为60℃，钛合金表面化学施镀金属铜，控制镀液温度为80℃。
步骤(2)中，取90wt％的α-Al2O3陶瓷粉、7wt％的ZTA陶瓷粉、2.5wt％的金属Ni粉以及0.5wt％烧结助剂TiO组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体，制备氧化铝陶瓷基体粉。所述ZTA陶瓷粉中，α-Al2O3粉质量百分比80％、3Y-ZrO2粉质量百分比20％。
步骤(3)中，取80wt％的镀镍α-Al2O3粉、10wt％氧化锆粉(3Y-ZrO2)、4wt％金属钛粉、6wt％的金属Ni粉组成的过渡层复合粉体原料，制备过渡层复合粉。
步骤(4)中，氧化铝陶瓷基体粉与过渡层复合粉的重量比为6:1；复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1700℃，保温2小时，真空度低于1×10-2Pa，在1200℃时通入氩气。
步骤(5)中，压强30MPa，真空度低于3×10-3Pa，加热至1300℃进行烧结1h。
通过检测可知，本实施例2中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为98MPa。
实施例3
制备工艺参照实施例1，主要区别在于：
步骤(1)中，表面酸洗粗化温度为55℃，钛合金表面化学施镀金属镍铬合金，控制镀液温度为85℃，施镀速度控制在22μm/h。
步骤(2)中，取85wt％的α-Al2O3陶瓷粉、8.5wt％的ZTA陶瓷粉、3wt％的金属Nb粉、3wt％的金属Ti粉以及0.5wt％烧结助剂氧化钙组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体，制备氧化铝陶瓷基体粉。
步骤(3)中，取70wt％的镀镍α-Al2O3粉、15wt％氧化锆粉、5wt％金属Nb粉、10wt％的钛合金粉组成的过渡层复合粉体原料，制备过渡层复合粉。
步骤(4)中，氧化铝陶瓷基体粉与过渡层复合粉的重量比为4:1；复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1600℃，保温1小时，真空度低于1×10-2Pa，在1150℃时通入氩气。
步骤(5)中，压强20MPa，真空度低于3×10-3Pa，加热至1200℃进行烧结0.5h。
通过检测可知，本实施例3中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为77MPa。
实施例4
制备工艺参照实施例1，主要区别在于：
步骤(1)中，表面酸洗粗化温度为53℃，钛合金表面化学施镀镍铬合金，控制镀液温度为85℃，施镀速度控制在21μm/h。
步骤(2)中，取80wt％的α-Al2O3陶瓷粉、9.5wt％的ZTA陶瓷粉、10wt％的钛合金粉以及0.5wt％烧结助剂氧化镁组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体，制备氧化铝陶瓷基体粉。
步骤(3)中，取75wt％的镀镍α-Al2O3粉、20wt％氧化锆粉、5wt％钛合金粉组成的过渡层复合粉体原料，制备过渡层复合粉。
步骤(4)中，氧化铝陶瓷基体粉与过渡层复合粉的重量比为4:1；复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1650℃，保温1小时，真空度低于1×10-2Pa，在1100℃时通入氩气。
步骤(5)中，压强1MPa，真空度低于3×10-3Pa，加热至1000℃进行烧结0.6h。
通过检测可知，本实施例4中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为50MPa。
对比例1
(1)仅采用砂纸打磨钛合金TC4表面处理，不进行金属化处理；
(2)氧化铝陶瓷基体粉制备。同实施例1。
不进行步骤(3)
(4)将步骤(2)制备得到的氧化铝陶瓷基体粉，加入干压模具中；依次进行干压、等静压处理，得到复合陶瓷坯体；将复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1450℃，保温0.5小时，真空度低于1×10-2Pa，在1000℃时通入氩气，得到氧化铝陶瓷基体结构。
(5)氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构制备。将步骤(4)制备得到的氧化铝陶瓷基体结构与步骤(1)制备得到的钛合金基体装填于热压模具内，控制氧化铝陶瓷基体结构与钛合金表面接触；然后，将热压模具放入热压烧结炉中，压强10MPa，真空度低于3×10- 3Pa，加热至800℃进行烧结0.1h，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
通过检测可知，本对比实例1中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为26MPa。
对比例2
(1)钛合金表面金属化基体制备。同实施例1。
(2)氧化铝陶瓷基体粉制备。同实施例1。
不进行步骤(3)
(4)将步骤(2)制备得到的氧化铝陶瓷基体粉，加入干压模具中；依次进行干压、等静压处理，得到复合陶瓷坯体；将复合陶瓷坯体置于真空炉中，加热至1450℃，保温0.5小时，真空度低于1×10-2Pa，在1000℃时通入氩气，得到氧化铝陶瓷基体结构。
(5)氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构制备。将步骤(4)制备得到的氧化铝陶瓷基体结构与步骤(1)制备得到的钛合金表面金属化基体装填于热压模具内，控制氧化铝陶瓷基体结构与钛合金表面金属化层接触；然后，将热压模具放入热压烧结炉中，压强10MPa，真空度低于3×10-3Pa，加热至800℃进行烧结0.1h，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
通过检测可知，本对比实例2中制备得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的接头抗剪强度为33MPa。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构的制备方法，其特征在于，
所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构具有钛合金表面金属化基体-过渡层-氧化铝陶瓷基体结构；
所述制备方法包括：
（1）在钛合金表面化学施镀第一金属，得到钛合金表面金属化基体；所述第一金属为镍、铜或者镍铬合金，控制化学施镀得到的第一金属膜层厚度为10-50μm；
（2）将氧化铝陶瓷粉、ZTA陶瓷粉、第二金属粉以及烧结助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体混合，得到氧化铝陶瓷基体粉；以所述氧化铝陶瓷基体原料粉体的总质量为100%计，氧化铝陶瓷粉的质量占比为80-90%，ZTA陶瓷粉的质量占比为1-10%，第二金属粉的质量占比为1-10%，烧结助剂的质量占比为0.5-2%；所述第二金属粉为Ni粉、Mo粉、Cu粉、Ti粉、Nb粉、钛合金粉中的至少一种；
（3）将镀镍α-Al2O3粉、氧化锆粉、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料混合，得到过渡层复合粉；以过渡层复合粉体原料的总质量为100%计，镀镍α-Al2O3粉的质量占比为50-80%，氧化锆粉的质量占比为10-20%，第三金属粉的质量占比为5-30%；所述第三金属粉为钛合金粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉、Nb粉中的至少一种；
（4）将过渡层复合粉、氧化铝陶瓷基体粉依次加入模具中，加压得到复合陶瓷坯体；经第一次烧结，得到具有过渡层-氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构；
（5）将复合陶瓷结构与钛合金表面金属化基体装填于模具，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触，经第二次烧结，得到所述氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，化学施镀第一金属的镀液温度为80～90℃，施镀速度为20～25μm/h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷粉为α-Al2O3陶瓷粉；
所述ZTA陶瓷为氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷，其中：所述氧化铝为α-Al2O3，质量百分含量为60-90 wt%；氧化锆为3Y-ZrO2、5Y-ZrO2、8Y-ZrO2中的至少一种，质量百分含量为10-40wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂为氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化硅中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制质量比氧化铝陶瓷基体粉：过渡层复合粉=（3-6）:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一次烧结在真空炉中进行，真空度低于1×10-2Pa；烧结温度为1450-1700℃，保温时间为0.5-2小时；在1000-1200℃时通入氩气。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二次烧结在真空热压炉中进行，压强为1-30MPa，真空度低于3×10-3Pa；烧结温度为800-1300℃，保温时间为0.1-1小时。
8.一种根据权利要求1所述的制备方法得到的氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构。
CN202310329185.XA 2023-03-30 2023-03-30 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法 Active CN116332629B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310329185.XA CN116332629B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310329185.XA CN116332629B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116332629A CN116332629A (zh) 2023-06-27
CN116332629B true CN116332629B (zh) 2024-02-06

Family

ID=86892727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310329185.XA Active CN116332629B (zh) 2023-03-30 2023-03-30 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116332629B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62235273A (ja) * 1986-04-04 1987-10-15 マツダ株式会社 窒化珪素部材と金属部材との接合方法
EP0513646A1 (de) * 1991-05-16 1992-11-19 Forschungszentrum Jülich Gmbh Verfahren zum Verbinden von Stahl mit Aluminium- bzw. Titan legierungsteilen
EP1708974A1 (en) * 2004-01-09 2006-10-11 MOLTECH Invent S.A. Ceramic material for use at elevated temperature
CN101204861A (zh) * 2007-12-03 2008-06-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途
CN103864467A (zh) * 2014-03-28 2014-06-18 哈尔滨工业大学（威海） 一种陶瓷表面金属化方法
CN106863942A (zh) * 2017-02-14 2017-06-20 中国科学院兰州化学物理研究所 一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷
CN108411347A (zh) * 2018-04-16 2018-08-17 南京理工大学 表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法
EP3808870A1 (en) * 2019-10-17 2021-04-21 Hamilton Sundstrand Corporation Low temperature atomic layer deposited topcoats for pretreated aluminum
CN114988918A (zh) * 2022-06-13 2022-09-02 湖南省新化县鑫星电子陶瓷有限责任公司 一种氧化铝陶瓷的表面金属化方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200386287A1 (en) * 2019-06-09 2020-12-10 Gerald Martino Vehicular brake rotor with no intermediate coating layer

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62235273A (ja) * 1986-04-04 1987-10-15 マツダ株式会社 窒化珪素部材と金属部材との接合方法
EP0513646A1 (de) * 1991-05-16 1992-11-19 Forschungszentrum Jülich Gmbh Verfahren zum Verbinden von Stahl mit Aluminium- bzw. Titan legierungsteilen
EP1708974A1 (en) * 2004-01-09 2006-10-11 MOLTECH Invent S.A. Ceramic material for use at elevated temperature
CN101204861A (zh) * 2007-12-03 2008-06-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 钛合金零件保护层及其制备方法和防氢脆用途
CN103864467A (zh) * 2014-03-28 2014-06-18 哈尔滨工业大学（威海） 一种陶瓷表面金属化方法
CN106863942A (zh) * 2017-02-14 2017-06-20 中国科学院兰州化学物理研究所 一种用于海洋环境下的多层结构氧化铝复合陶瓷
CN108411347A (zh) * 2018-04-16 2018-08-17 南京理工大学 表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法
EP3808870A1 (en) * 2019-10-17 2021-04-21 Hamilton Sundstrand Corporation Low temperature atomic layer deposited topcoats for pretreated aluminum
CN114988918A (zh) * 2022-06-13 2022-09-02 湖南省新化县鑫星电子陶瓷有限责任公司 一种氧化铝陶瓷的表面金属化方法

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AgCu+SiC复合钎料中SiC含量对Al_2O_3/TC4接头组织和性能的影响;李淳;郑祖金;亓钧雷;冯吉才;曹健;;焊接学报(第12期);17-22+167 *
Cr2O3 添加对ZTA 复相陶瓷显微结构和力学性能的影响;王泽楷;硅酸盐学报;第50卷(第3期);742-749 *
Effects of Al2O3/ZrO2 Layers on Carbon Steel Capsule During Consolidation of TiAl Based Alloy Powders by HIP;Lang Zebao;Rare Metal Materials and Engineering;第49卷(第7期);2275-2280 *
Formation of growing integrated layer [GIL] between ceramics and metallic materials for improved adhesion performance;Masahiro Yoshimura;Materials Science and Engineering B;第148卷;2-6 *
Preparation and application evaluation of La2O3-doped Y2O3 crucible materials for melting TiAl alloys;Haoran Li;Ceramics International;第48卷;15762-15769 *
SPS制备亚微米晶氧化铝陶瓷;单萌;周国红;王士维;;无机材料学报(第05期);139-142 *
钛合金/陶瓷异质材料钎焊技术的研究现状;赵明远;电焊机;第53卷(第4期);34-45 *
钦合金化学镀镍结合力探讨;王东;表面技术;第20卷(第3期);36-39 *
钨钛合金/氧化铝基复相陶瓷/NaA分子筛 复合电路基片的制备;王辰;中国钨业;第31卷(第6期);30-34 *
颗粒级配对固相烧结碳化硅陶瓷的影响;刘学建;无机材料学报;第33卷(第11期);1167-1172 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116332629A (zh) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Blugan et al. Brazing of silicon nitride ceramic composite to steel using SiC-particle-reinforced active brazing alloy
CN107363359A (zh) 一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法
CN110883397B (zh) 一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的焊接方法
CN111085688B (zh) 一种钨/氮化硅/钨对称层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用
Zhang et al. Joining of Cf/SiC ceramic matrix composites: a review
CN110524082B (zh) 以Fe为活性元素快速润湿陶瓷基复合材料中碳纤维的方法
CN101462890A (zh) 一种Cf/SiC复合材料与钛合金的连接方法
Cao et al. Combustion joining of carbon–carbon composites to TiAl intermetallics using a Ti–Al–C powder composite interlayer
JPS60131874A (ja) セラミツクと金属との接合方法
CN113600957A (zh) 一种复合中间层及其钎焊碳化硼复合陶瓷与钛合金的方法
Wang et al. Joining zirconia with nickel-based superalloys for extreme applications by using a pressure-free high-temperature resistant adhesive
CN114346346A (zh) 一种采用高熵合金钎焊连接高熵碳化物陶瓷的方法
CN116332629B (zh) 一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法
CN111590997B (zh) 原位自生钛基复合材料复合叠层构件及其制备方法与用途
CN116283337B (zh) 一种碳化硼陶瓷-金属梯度连接结构及其制备方法
Zhu et al. Brazing Al2O3 to 4J42 using Ag–Cu–Ti/Cu/BNi-2 composite fillers with different thicknesses of Cu interlayer
JP4051141B2 (ja) タングステン，タングステン繊維強化複合材料およびモリブデン，モリブデン繊維強化複合材料およびその製造方法ならびに同材料を用いた高温部品
CN115302033A (zh) 一种氧化锆陶瓷与钛合金的低温间接钎焊方法
CN111018555B (zh) 具有裂纹自愈合特点的连接碳化硅的连接材料及其应用
CN116354740B (zh) 一种氧化铝陶瓷-钢材复合结构及其制备方法
CN115353402B (zh) 一种具有裂纹自愈合功能的陶瓷刀具材料及其制备方法
CN113046677B (zh) 一种片状陶瓷/铝合金复合材料及其制备方法
CN116375474B (zh) 一种焊接型碳化硼复合陶瓷及其制备方法与应用
Janczak-Rusch Ceramic component integration by advanced brazing technologies
JP2886138B2 (ja) 積層セラミックス及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant