CN116354740A - 一种氧化铝陶瓷-钢材复合结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化铝陶瓷‑钢材复合结构及其制备方法。所述复合结构具有复合钢材基体‑复合钢材表面陶瓷化层‑氧化铝陶瓷表面金属化层‑氧化铝陶瓷基体结构；所述制备方法包括：将钢材粉体、第一金属粉体、陶瓷粉体组成的原料粉体经压制成型为素坯，烧结后得复合钢材基体；将含第二金属粉的浆料涂覆在复合钢材基体表面，干燥、煅烧、冷却、清洗，得复合钢材表面陶瓷化层；以氧化铝陶瓷作为基体通过第三金属粉在其表面进行涂层或镀膜处理，得氧化铝陶瓷表面金属化层；将表面陶瓷化的复合钢材基体与表面金属化的氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，通过扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层，得所述氧化铝陶瓷‑钢材复合结构。

Description

一种氧化铝陶瓷-钢材复合结构及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷与金属连接技术领域，具体涉及一种氧化铝陶瓷-钢材复合结构及其制备方法。

背景技术

Al₂O₃陶瓷具有较高的强度、硬度、优异的耐磨性能、低的高频介电损耗和高的化学稳定性能，被广泛应用于汽车、电子、航空和核能等领域。但是Al₂O₃陶瓷的韧塑性差，一般难以加工成复杂大型的零件。钢材材料具有良好塑性、韧性和抗高温蠕变强度。采用连接技术可以实现Al₂O₃陶瓷与钢材的可靠连接与复合，实现优势互补，扩展其应用范围。目前，二者的复合构件已广泛应用于耐高温部件和真空电子器件领域。

传统的陶瓷与金属连接技术通常包括瞬时液相连接、扩散连接和活性金属钎焊等。其中，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，但是陶瓷一般较难以被钎料润湿，并且大部分钎料(如银基钎料)的熔点很低(不超过400-500℃)，不能适应高温工作环境。为了提高陶瓷-高温合金焊接接头的使用温度，必须大幅度提高钎料的融化温度。同时，钎焊的缺点还在于接头的结合强度不高，其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，加热和冷却必然产生热应力，由于残余应力的作用容易在接头处破坏，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，很多中间层容易与钢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，本发明目的在于提供一种氧化铝陶瓷-钢材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和焊接接头结合强度差等问题，实现陶瓷-金属之间良好的热膨胀系数匹配性，获得无钎料焊接的高强度陶瓷-钢材复合结构，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-钢材复合结构的制备方法，所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构具有复合钢材基体-复合钢材表面陶瓷化层-氧化铝陶瓷表面金属化层-氧化铝陶瓷基体结构；

所述制备方法包括：

(1)将钢材粉体、第一金属粉体、陶瓷粉体组成的原料粉体经压制成型为素坯，烧结后得到复合钢材基体；以所述原料粉体总质量为100％计，钢材粉体的质量占比为60-94wt％，第一金属粉体的质量占比为1-10wt％，陶瓷粉体的质量占比为5-30wt％；

(2)将含第二金属粉的浆料涂覆在复合钢材基体表面，干燥、煅烧、冷却、清洗，得到复合钢材表面陶瓷化层；所述复合钢材表面陶瓷化层的厚度为100nm-50μm；

(3)以氧化铝陶瓷作为基体通过第三金属粉在其表面进行涂层或镀膜处理，得到氧化铝陶瓷表面金属化层；所述氧化铝陶瓷表面金属化层的厚度为100nm-50μm；

(4)将表面陶瓷化的复合钢材基体与表面金属化的氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，通过扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层，冷却，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

较佳地，所述钢材为碳素钢、合金钢中的至少一种，所述第一金属为钛、钨、铬、铜、钴、镍、铝、铌中的至少一种，所述陶瓷粉体为碳化硼、碳化硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化铬、二硼化钛、氮化硼、氧化铝、碳化钛陶瓷粉体中的至少一种。

较佳地，所述烧结在真空炉中进行，烧结温度为820-1120℃，烧结时间为0.1-2小时，真空度为1×10^-3-3×10^-3Pa，压强为20-50MPa。

较佳地，所述第二金属为Al、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Ni合金、Al-Ti合金中的至少一种，所述含第二金属粉的浆料在复合钢材基体表面的涂覆量为6-9mg/cm²。

较佳地，所述煅烧在马弗炉的空气气氛中进行，煅烧温度为1000-1100℃，煅烧时间为30-45min。

较佳地，所述氧化铝陶瓷基体为85氧化铝陶瓷、90氧化铝陶瓷、95氧化铝陶瓷或者99氧化铝陶瓷。

较佳地，所述第三金属为Ti、Ni中的至少一种；所述镀膜处理为利用真空蒸发法进行氧化铝陶瓷表面镀镍或者利用盐浴法进行氧化铝陶瓷表面镀钛。

较佳地，所述扩散焊的工艺参数为：压强30-150kPa、真空度1×10^-3-5×10^-4Pa、升温速率5-20℃/min、焊接温度900-1200℃、保温时间30-120min。

较佳地，所述冷却的工艺为：先以3-15℃/min的速率冷却至450-500℃，然后随炉冷却至常温。

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-钢材复合结构。

有益效果

本发明提供的制备方法利用陶瓷掺杂钢粉烧结制备复合钢材，进一步降低复合钢材的热膨胀系数，增加与陶瓷层间的润湿性，通过界面成分设计及四层结构设计，在复合钢材表面陶瓷化，在复合钢材表面生成一定的氧化物。同时在真空热压炉内，陶瓷表面金属化层Ni/Ti，易于同复合钢材表面氧化物建立反应，形成新的氧化物层，然后在一定压力、温度下，金属表面氧化物与陶瓷表面新的氧化物形成共晶反应，组成新的复合盐，使得氧化铝陶瓷与钢材表面氧化物进行互相扩散连接，最终实现可靠性连接。避免了低熔点钎料对高温环境下陶瓷-金属界面处的不利影响，实现了更好的热膨胀系数匹配性，提高接头处的强度。

附图说明

图1为实施例1制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构界面SEM图；

附图标记：

1、复合钢材基体，2、复合钢材表面陶瓷化层，3、氧化铝陶瓷表面金属化层，4、氧化铝陶瓷基体，5、复合钢材表面氧化物与氧化铝陶瓷表面新氧化物形成的共晶反应层。

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。

本发明提供了一种陶瓷与金属的高效焊接方法，能够降低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，同时在陶瓷-金属复合结构之间建立陶瓷层-陶瓷层之间的连接，实现更好的热膨胀系数匹配性，获得无钎料焊接的高强度陶瓷-钢材复合结构，提高陶瓷-金属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-钢材复合结构的制备方法，所述制备方法可以包括以下步骤。

(1)复合钢材基体制备。取钢材粉体、第一金属粉体、陶瓷粉体组成的原料粉体混合，以无水乙醇为溶剂，羧甲基纤维素钠(CMC)为添加剂，球磨混合均匀，干燥后得到复合钢材粉体G1；然后，将所述复合钢材粉体G1进行干压、等静压处理得到复合钢材素坯；烧结，得到所述复合钢材基体G2。

在一些实施方式中，所述钢材可以为碳素钢、合金钢中的至少一种；所述钢材粉体的粒径可以为10-50μm。

在一些实施方式中，所述第一金属可以选择钛、钨、铬、铜、钴、镍、铝、铌中的至少一种；所述第一金属粉体的粒径可以为0.5-15μm。第一金属粉的加入可以促进解决陶瓷与钢材之间润湿性差的难题。

在一些实施方式中，所述陶瓷可以选择碳化硼、碳化硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化铬、二硼化钛、氮化硼、氧化铝、碳化钛中的至少一种；所述陶瓷粉体的粒径可以为0.5-15μm。陶瓷粉体的加入可以降低钢材的热膨胀系数，降低金属-陶瓷之间热膨胀系数差异大的影响。

在一些实施方式中，以所述原料粉体总质量为100％计，钢材粉体的质量占比可以为60-94wt％，第一金属粉体的质量占比可以为1-10wt％，陶瓷粉体的质量占比可以为5-30wt％。

所述球磨可以选择行星球磨，钢球为研磨球，研磨时间1-5小时，优选为3小时。

在一些实施方式中，所述烧结可以在真空炉中进行，烧结温度可以为820-1120℃，烧结时间可以为0.1-2小时，真空度可以为1×10^-3-3×10^-3Pa，压强可以为20-50MPa。

(2)复合钢材表面陶瓷化层制备。可选地，用砂纸打磨步骤(1)制备得到的复合钢材基体G2表面，然后用王水去除复合钢材基体表面氧化膜，再利用无水乙醇超声波清洗，干燥箱内烘干，得到经预处理后的复合钢材基体；接着，将含第二金属粉的浆料涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，干燥、煅烧、冷却后置于无水乙醇溶液中超声清洗，得到所述复合钢材表面陶瓷化层F1。所述陶瓷化层为第二金属氧化物层。

在一些实施方式中，所述第二金属可以选择Al、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Ni合金、Al-Ti合金中的至少一种；所述第二金属粉的粒径可以为0.5-15μm。第二金属粉在空气反应下烧结，可以在钢材表面形成氧化物陶瓷。

在一些实施方式中，所述含第二金属粉的浆料的溶剂可以为甘油、松油醇。所述含第二金属粉的浆料在预处理后的复合钢材基体表面的涂覆量可以控制为6-9mg/cm²。

在一些实施方式中，所述煅烧可以在马弗炉的空气气氛中进行，煅烧温度可以为1000-1100℃，煅烧时间可以为30-45min。

所述复合钢材表面陶瓷化层的厚度可以控制为100nm-50μm。

(3)氧化铝陶瓷表面金属化层制备。以氧化铝陶瓷作为基体通过第三金属粉在其表面进行涂层或镀膜处理，得到氧化铝陶瓷表面金属化层F2。

在一些实施方式中，所述氧化铝陶瓷基体可以选择85氧化铝陶瓷、90氧化铝陶瓷、95氧化铝陶瓷或者99氧化铝陶瓷。

在一些实施方式中，所述第三金属可以为Ti、Ni中的至少一种；所述第三金属粉的粒径可以为1-5μm。可选的实施方式中，利用真空蒸发法进行氧化铝陶瓷表面镀镍或者利用盐浴法进行氧化铝陶瓷表面镀钛，制备得到氧化铝陶瓷表面金属化层F2。

在一些实施方式中，所述真空蒸发法在氧化铝陶瓷表面镀镍的工艺可以为：用砂纸打磨去除镍片表面的氧化膜，用无水乙醇超声清洗，干燥后置于刚玉坩埚中；取无水乙醇清洗后的氧化铝陶瓷置于所述刚玉坩埚中；在真空度10-30Pa(比如25Pa)的真空炉中，加热至1150-1380℃(比如1250℃)，保温30-75min，得到表面镀镍的氧化铝陶瓷。

在一些实施方式中，所述盐浴镀钛法在氧化铝陶瓷表面镀钛的工艺可以为：将氧化铝陶瓷置于坩埚中，取Ti、NaCl与KCl混合均匀的盐浴粉体混合物完全覆盖在氧化铝陶瓷表面，加热处理，冷却后得到表面镀钛的氧化铝陶瓷。

其中，以所述盐浴粉体混合物总质量为100％计，Ti粉的质量占比可以为5-10wt％，NaCl的质量占比可以为30-50wt％，KCl的质量占比可以为40-60wt％。所述加热处理的工艺可以为：氩流动气条件下，780-840℃下保温0.5-1h。

在一些实施方式中，可以控制所述氧化铝陶瓷表面金属化层的厚度为100nm-50μm。

(4)氧化铝陶瓷-钢材复合结构制备。将步骤(2)制备得到的表面陶瓷化的复合钢材基体与步骤(3)制备得到的表面金属化的氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，通过扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层F1与氧化铝陶瓷表面金属化层F2，冷却，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

在一些实施方式中，所述扩散焊的工艺参数为：压强30-150kPa、真空度1×10^-3-5×10^-4Pa、升温速率5-20℃/min、焊接温度900-1200℃、保温时间30-120min。

在一些实施方式中，所述冷却的工艺可以为：先以3-15℃/min的速率冷却至450-500℃，然后随炉冷却至常温。

本发明提供的制备方法以Al粉、Al-Si合金粉、Al-Fe合金粉、Al-Ni合金粉、Al-Ti合金粉作为钢材表面氧化铝陶瓷层设计，通过Ti粉、Ni粉作为氧化铝陶瓷表面金属化层设计，获得适用于高温环境的陶瓷-金属复合结构。

通过本发明提供的制备方法得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构包括依次连接的复合钢材基体-复合钢材表面陶瓷化层-氧化铝陶瓷表面金属化层-氧化铝陶瓷基体四层结构。

通过电子万能试验机测量复合结构的接头抗拉强度，通过三点抗弯测试测量复合结构的接头抗弯强度。所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度大于130MPa，抗弯强度大于200MPa，综合性能优良。

本发明通过四层结构设计提供一种陶瓷与金属的高效焊接方法，降低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，同时在陶瓷-金属复合结构之间建立(氧化物)陶瓷层-(氧化物)陶瓷层之间的连接，实现陶瓷-金属之间良好的热膨胀系数匹配性，获得无钎料焊接的高强度陶瓷-钢材复合结构，提高陶瓷-金属复合结构的高温应用性。

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)复合钢材基体制备。取原料粉体100g，其中碳素钢粉60wt％、钛粉5wt％、铜粉5wt％，氮化硅粉体15wt％、氮化铝粉体15wt％，以40g无水乙醇作为溶剂，0.2g羧甲基纤维素钠(CMC)作为添加剂，加入200g钢研磨球，行星球磨3小时，放入干燥机60℃干燥，待乙醇蒸发得到复合钢材粉体G1；将所述复合钢材粉G1至于干压模具中，进行干压80MPa处理，然后将干压样品进行等静压200MPa处理，将等静压处理后得到的复合钢材素坯置于真空炉中，加热至820℃，保温0.1小时，真空度控制在1×10^-3-3×10^-3Pa时启动加热程序，施加20MPa的压强，得到所述复合钢材基体G2。

(2)复合钢材表面陶瓷化层制备。用砂纸打磨步骤(1)制备得到的复合钢材基体G2表面，然后用王水去除复合钢材基体表面氧化膜，再利用无水乙醇超声波清洗，干燥箱内烘干，得到经预处理后的复合钢材基体；接着，将Al-Fe合金粉(含铝5wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为6mg/cm²，涂覆后置于干燥箱进行干燥，干燥后的样品置于马弗炉中在1000℃进行煅烧，保温30min，冷却后置于无水乙醇溶液中超声清洗，得到所述复合钢材表面陶瓷化层F1。

(3)氧化铝陶瓷表面金属化层制备。取85氧化铝陶瓷、Ti粉，将氧化铝陶瓷置于坩埚中，取混合均匀的盐浴粉体混合物20g，其中Ti粉5wt％、NaCl 50wt％、KCl 45wt％，将混合均匀的盐浴粉体混合物完全覆盖在氧化铝陶瓷表面，将坩埚置于管式炉中，加热至780℃保温0.5h，冷却至室温，得到表面镀钛的氧化铝陶瓷。

(4)氧化铝陶瓷-钢材复合结构制备。将步骤(2)制备得到的表面陶瓷化的复合钢材基体与步骤(3)制备得到的表面金属化的氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，采用以下工艺参数进行扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层：压强50kPa、真空度控制在1×10^-3-5×10^-4Pa时启动加热程序、升温速率20℃/min、焊接温度900℃、保温时间60min，焊后以10℃/min的速率冷却至500℃，然后随炉冷却至常温，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

图1为实施例1制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构界面SEM图。从图中可以看出，通过金属表面氧化物与陶瓷表面新氧化物形成的共晶反应层，将上层钢材、下层氧化铝陶瓷紧密结合在一起，实现了无钎料的扩散焊连接陶瓷与金属。

通过检测可知，本实施例1中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度150MPa，接头抗弯强度210MPa。

实施例2

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中合金钢粉94wt％、镍粉1wt％、碳化硼粉体3wt％、碳化铬粉体2wt％，素坯烧结温度为920℃，保温2小时，施加50MPa的压强；

步骤(2)中，将Al-Ni合金粉(含镍5wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为9mg/cm²，煅烧温度1100℃，保温45min；

步骤(3)中，采用真空蒸发法在氧化铝陶瓷表面镀镍：取90氧化铝陶瓷、镍片，用砂纸打磨以去除镍片表面的氧化膜，用无水乙醇超声清洗，干燥后置于刚玉坩埚中，取无水乙醇清洗后的氧化铝陶瓷置于所述刚玉坩埚中，在真空度25Pa的真空炉中，加热至1250℃，保温30min，得到表面镀镍的氧化铝陶瓷；

步骤(4)中，扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层的工艺参数为：压强30kPa、焊接温度1000℃、保温时间120min，焊后以15℃/min的速率冷却至500℃。

通过检测可知，本实施例2中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度135MPa，接头抗弯强度225MPa。

实施例3

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中合金钢粉80wt％、铝粉2wt％、钨粉4wt％，碳化硅粉体6wt％、氮化铝粉体8wt％混合，素坯烧结温度为1000℃，保温0.8小时，施加50MPa的压强；

步骤(2)中，将Al粉配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为7mg/cm²，煅烧温度1080℃，保温33min；

步骤(3)中，取95氧化铝陶瓷、Ti粉，将氧化铝陶瓷置于坩埚中，取混合均匀的盐浴粉体混合物20g，其中Ti粉10wt％、NaCl 30wt％、KCl 60wt％，将混合均匀的盐浴粉体混合物完全覆盖在氧化铝陶瓷表面，将坩埚置于管式炉中，加热至840℃保温1h，冷却至室温，得到表面镀钛的氧化铝陶瓷；

步骤(4)中，扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层的工艺参数为：压强40kPa、焊接温度1200℃、保温时间90min，焊后以12℃/min冷却至500℃。

通过检测可知，本实施例3中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度145MPa，接头抗弯强度208MPa。

实施例4

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中碳素钢粉78wt％、铌粉3wt％、钴粉3wt％，碳化硅粉体4wt％、碳化硼粉体6wt％、氧化硅粉体6wt％混合，素坯烧结温度为1050℃，保温1小时，施加40MPa的压强；

步骤(2)中，将Al-Ti合金粉(含钛5wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为8mg/cm²，煅烧温度1050℃，保温35min；

步骤(3)中，采用真空蒸发法在氧化铝陶瓷表面镀镍：取99氧化铝陶瓷、镍片，用砂纸打磨以去除镍片表面的氧化膜，用无水乙醇超声清洗，干燥后置于刚玉坩埚中，取无水乙醇清洗后的氧化铝陶瓷置于所述刚玉坩埚中，在真空度25Pa的真空炉中，加热至1250℃，保温75min，得到表面镀镍的氧化铝陶瓷；

步骤(4)中，扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层的工艺参数为：压强40kPa、焊接温度1100℃、保温时间75min，焊后以15℃/min的速率冷却至500℃。

通过检测可知，本实施例4中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度160MPa，接头抗弯强度236MPa。

实施例5

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中碳素钢粉85wt％、钛粉2wt％、镍粉1wt％，碳化硅粉体6wt％、碳化硼粉体6wt％混合，素坯烧结温度为1080℃，保温0.5小时，施加30MPa的压强；

步骤(2)中，将Al-Si合金粉(含硅10wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为8mg/cm²，煅烧温度1050℃，保温40min；

步骤(3)中，采用真空蒸发法在氧化铝陶瓷表面镀镍：取95氧化铝陶瓷、镍片，用砂纸打磨以去除镍片表面的氧化膜，用无水乙醇超声清洗，干燥后置于刚玉坩埚中，取无水乙醇清洗后的氧化铝陶瓷置于所述刚玉坩埚中，在真空度25Pa的真空炉中，加热至1250℃，保温30min，得到表面镀镍的氧化铝陶瓷；

步骤(4)中，扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层的工艺参数为：压强35kPa、焊接温度1150℃、保温时间120min，焊后以15℃/min冷却至500℃。

通过检测可知，本实施例5中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度162MPa，接头抗弯强度253MPa。

对比例1

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中碳素钢粉95wt％、钛粉2wt％、镍粉3wt％混合，素坯烧结温度为1080℃，保温0.5小时，施加30MPa的压强；

不进行步骤(2)-(3)；

(4)氧化铝陶瓷-钢材复合结构制备。将步骤(1)制备得到的复合钢材基体与90氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，采用以下工艺参数进行扩散焊：压强50kPa、真空度控制在1×10^-3-5×10^-4Pa时启动加热程序、升温速率20℃/min、焊接温度1000℃、保温时间60min，焊后以10℃/min的速率冷却至500℃，然后随炉冷却至常温，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

通过检测可知，对比实例1中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度78MPa，接头抗弯强度125MPa。

对比例2

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中合金钢粉95wt％、铝粉2wt％、钨粉3wt％混合，素坯烧结温度为1080℃，保温0.5小时，施加30MPa的压强；

不进行步骤(2)-(3)

(4)氧化铝陶瓷-钢材复合结构制备。将步骤(1)制备得到的复合钢材基体与95氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，采用以下工艺参数进行扩散焊：压强50kPa、真空度控制在1×10^-3-5×10^-4Pa时启动加热程序、升温速率20℃/min、焊接温度1000℃、保温时间60min，焊后以10℃/min的速率冷却至500℃，然后随炉冷却至常温，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

通过检测可知，对比实例2中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度82MPa，接头抗弯强度136MPa。

对比例3

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中碳素钢粉94wt％、钛粉3wt％、镍粉3wt％混合，素坯烧结温度为1080℃，保温0.5小时，施加30MPa的压强；

步骤(2)中，将Al-Ti合金粉(含钛10wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为8mg/cm²，煅烧温度1050℃，保温40min；

不进行步骤(3)；

步骤(4)氧化铝陶瓷-钢材复合结构制备。将步骤(2)制备得到的复合钢材基体与95氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，采用以下工艺参数进行扩散焊：压强50kPa、真空度控制在1×10^-3-5×10^-4Pa时启动加热程序、升温速率20℃/min、焊接温度1000℃、保温时间60min，焊后以10℃/min的速率冷却至500℃，然后随炉冷却至常温，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

通过检测可知，对比实例3中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度95MPa，接头抗弯强度152MPa。

对比例4

参照实施例1，主要区别在于：

步骤(1)中，取原料粉体100g，其中碳素钢粉94wt％、钛粉3wt％、镍粉3wt％混合，素坯烧结温度为1080℃，保温0.5小时，施加30MPa的压强；

步骤(2)中，将Al-Ti合金粉(含钛10wt％)配置为浆料并涂覆在预处理后的复合钢材基体表面，涂覆量为8mg/cm²，煅烧温度1050℃，保温40min；

步骤(3)中，采用真空蒸发法在氧化铝陶瓷表面镀镍：取95氧化铝陶瓷、镍片，用砂纸打磨以去除镍片表面的氧化膜，用无水乙醇超声清洗，干燥后置于刚玉坩埚中，取无水乙醇清洗后的氧化铝陶瓷置于所述刚玉坩埚中，在真空度25Pa的真空炉中，加热至1250℃，保温30min，得到表面镀镍的氧化铝陶瓷；

步骤(4)中，扩散焊工艺参数为：压强35kPa、焊接温度1150℃、保温时间120min，焊后以15℃/min冷却至500℃。

通过检测可知，对比实例4中制备得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构的接头抗拉强度135MPa，接头抗弯强度176MPa。

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 (10)

1.一种氧化铝陶瓷-钢材复合结构的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构具有复合钢材基体-复合钢材表面陶瓷化层-氧化铝陶瓷表面金属化层-氧化铝陶瓷基体结构；所述制备方法包括：

(1)将钢材粉体、第一金属粉体、陶瓷粉体组成的原料粉体经压制成型为素坯，烧结后得到复合钢材基体；以所述原料粉体总质量为100％计，钢材粉体的质量占比为60-94wt％，第一金属粉体的质量占比为1-10wt％，陶瓷粉体的质量占比为5-30wt％；

(2)将含第二金属粉的浆料涂覆在复合钢材基体表面，干燥、煅烧、冷却、清洗，得到复合钢材表面陶瓷化层；所述复合钢材表面陶瓷化层的厚度为100nm-50μm；

(3)以氧化铝陶瓷作为基体通过第三金属粉在其表面进行涂层或镀膜处理，得到氧化铝陶瓷表面金属化层；所述氧化铝陶瓷表面金属化层的厚度为100nm-50μm；

(4)将表面陶瓷化的复合钢材基体与表面金属化的氧化铝陶瓷置于真空热压炉内，通过扩散焊连接复合钢材表面陶瓷化层与氧化铝陶瓷表面金属化层，冷却，得到所述氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢材为碳素钢、合金钢中的至少一种，所述第一金属为钛、钨、铬、铜、钴、镍、铝、铌中的至少一种，所述陶瓷粉体为碳化硼、碳化硅、氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化铬、二硼化钛、氮化硼、氧化铝、碳化钛陶瓷粉体中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结在真空炉中进行，烧结温度为820-1120℃，烧结时间为0.1-2小时，真空度为1×10^-3-3×10^-3Pa，压强为20-50MPa。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二金属为Al、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Ni合金、Al-Ti合金中的至少一种，所述含第二金属粉的浆料在复合钢材基体表面的涂覆量为6-9mg/cm²。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧在马弗炉的空气气氛中进行，煅烧温度为1000-1100℃，煅烧时间为30-45min。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷基体为85氧化铝陶瓷、90氧化铝陶瓷、95氧化铝陶瓷或者99氧化铝陶瓷。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第三金属为Ti、Ni中的至少一种；所述镀膜处理为利用真空蒸发法进行氧化铝陶瓷表面镀镍或者利用盐浴法进行氧化铝陶瓷表面镀钛。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述扩散焊的工艺参数为：压强30-150kPa、真空度1×10^-3-5×10^-4Pa、升温速率5-20℃/min、焊接温度900-1200℃、保温时间30-120min。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述冷却的工艺为：先以3-15℃/min的速率冷却至450-500℃，然后随炉冷却至常温。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法得到的氧化铝陶瓷-钢材复合结构。

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