CN1272474A - 半固态连接材料及其制备与连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工技术领域,其制作方法包括在铝基合金中添加可与铝形成金属间化合物的合金元素,在低真空中或氩气保护下进行电弧熔炼,去掉表皮后冷轧成片状,得到铝基合金加铝的金属间化合物的半固态连接材料。其连接方法包括将片状半固态连接材料,插入被连接材料之间,再置于真空炉中加压,加热,保温后冷却至室温形成接头。本连接材料成本低,制备与连接简单易行,接头均匀性好,连接条件要求较低,适用材料范围较广。
Description
本发明属于材料加工技术领域，特别涉及用于陶瓷及陶瓷基复合材料连接的材料及其制备与连接方法。
陶瓷及陶瓷基复合材料、金属基复合材料以及金属间化合物等新型材料具有金属材料不可比拟的高强度、高硬度、耐高温等优越性能，是航空航天、国防工业以及交通运输业的关键材料，但这些材料往往需要通过连接才能形成结构或零部件而加以使用，连接技术则成为新型结构材料进入实际应用、实现其优越特性的关键技术。
由于这些材料的特殊结构和性能，传统的用于连接金属材料的方法已不适用于连接这些材料，近几年研究较多的活性钎焊、固态扩散连接和过渡液相扩散连接方法又有其各自的局限性。钎焊连接虽然可以降低对温度、压力和表面状态的要求，但钎料熔化后必须对母材表面具有良好的润湿性，这对陶瓷、陶瓷基复合材料以及含有陶瓷增强相的金属基复合材料来说是相当困难的，而且钎缝往往成为接头中的最薄弱环节，如耐高温性、耐腐蚀性以及强度等均不及被连接的母材。此外，由于钎焊材料与母材的不同，它们的热膨胀系数的不匹配会在界面及其邻近母材中产生较大的钎焊应力，使接头力学性能降低，严重时还会导致接头的破坏。而固相扩散连接对温度、压力和被连接面的表面状态有着严格的要求，过高的温度和压力不仅使连接难以实现、成本提高，而且容易出现不利的脆性相，影响接头的质量和性能。另外，对纤维增强的陶瓷基复合材料，加压过大还可能造成纤维破坏而使基体性能受到严重影响。过渡液相扩散连接，虽然过渡液相的形成与利用可以降低连接温度和压力以及对表面状态的要求，加强界面结合，但工艺复杂，中间层材料之间的冶金匹配要求严格，而且需要过长的扩散时间才能形成均匀的高温相，这对防止脆性相的形成和提高连接效率不利。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种半固态连接材料及其制备与连接方法，该连接材料成本低，制备与连接简单易行，可使接头不均匀性降低，对连接条件要求较低，适用材料范围较广。
本发明提出的一种半固态连接材料，其特征在于，由铝基合金液相加铝的金属间化合物的固相构成，其中固相的体积百分比为5～15％。铝基合金可采用铝镁、铝锰合金。
本发明提出的上述半固态连接材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在铝基合金中添加可与铝形成金属间化合物的合金元素，合金元素可采用第四和第五主族的钛、锆、铪、钒、铌、钽等元素，合金元素的添加量为3～5wt％，在10-2乇量级的低真空中或氩气保护下进行电弧熔炼，去掉表皮后冷轧成片状，得到铝基合金加铝的金属间化合物的半固态连接材料。
用本发明所述的半固态连接材料进行连接的工艺方法为：将厚度为0.3～0.5mm的片状半固态连接材料，插入被连接材料之间，再置于5×10-5乇以上的真空炉中加压3～10兆帕，加热升温至750～850℃，保温15～30分钟后冷却至室温形成接头。
本发明的原理是在连接温度下，连接材料处于液相与固相共存的半固态，靠其中的液相连接被连接材料和固相，而固相则起着调整接头、减小接头不均匀性的作用。
本发明所述的半固态连接材料的主体是液相，被连接材料与固相是靠液相连接，用于陶瓷及陶瓷基复合材料，液相应该是含有能与陶瓷反应形成过渡层的活性元素的合金。半固态连接材料中的固相主要起到调整接头性能的作用。金属间化合物可以作为固相提高接头的强度与耐热性能。而且液相与金属间化合物之间的冶金相容性不低于液相与母材的冶金相容性。
本发明的半固态连接与完全液相下的钎焊的差别在于此时液相的流动性较低且对陶瓷或金属间化合物的润湿性较差。通过在连接过程中加压可以改善其流动性和增加对被连接材料的接触，另外，通过加压还可以调整液固相比例和控制固相的形态和分布，起到控制接头性能的目的。除压力外，连接温度和保温时间以及连接材料的厚度也是影响接头性能的重要因素。
本发明可广泛用于陶瓷及陶瓷基复合材料、金属基复合材料以及金属间化合物等新型材料的连接。
本发明的效果：
在连接温度下本发明所述的连接材料处于半固态，通过其中的液相连接被连接材料，使对被连接材料表面状态的要求降低，连接温度降低，而且不需要较高的压力和很长的扩散时间，使连接成本降低，连接效率提高，接头的性能较高，充分发挥钎焊的优点。而连接材料中的固相则起着改性接头的目的，强化连接层金属提高接头的力学性能，使之与被连接材料协调过渡，减小接头的不均匀性。这是一种高效且适应性广的新型材料(包括陶瓷及陶瓷基复合材料、金属基复合材料、金属间化合物等)的连接新技术。
用铝基合金加金属间化合物半固态连接材料在800℃连接的Si3N4陶瓷接头室温剪切强度可达150兆帕左右，600℃还可保持75兆帕左右的剪切强度。而用铝基合金连接的接头室温剪切强度只有60兆帕左右，600℃时只有4.5兆帕左右的强度(基本上已无强度)。
实施例1：
在铝基合金中加入3wt％的金属钛，在10-2乇量级的低真空中进行电弧熔炼，去掉表皮后轧制成0.3mm厚的片状，将此厚度的铝基合金加金属间化合物的半固态连接材料，插入被连接材料之间，再置于5×10-5乇的真空炉中加压4兆帕，加热升温至780℃，保温20分钟后冷却至室温形成接头。接头的室温剪切强度达120兆帕左右，接头600℃剪切强度达40兆帕左右。
实施例2：
在铝基合金中加入5wt％的金属钒，在氩气保护下进行电弧熔炼，去掉表皮后轧制成0.5mm厚的片状，将此厚度的铝基合金加金属间化合物的半固态连接材料，插入被连接材料之间，再置于1×10-5乇的真空炉中加压7兆帕，加热升温至850℃，保温30分钟后冷却至室温形成接头。接头的室温剪切强度达65兆帕左右，接头600℃剪切强度达70兆帕左右。
Claims (5)
1、一种半固态连接材料，其特征在于，由铝基合金液相加铝的金属间化合物的固相构成，其中固相的体积百分比为5～15％。
2、如权利要求1所述的半固态连接材料，其特征在于，所说的铝基合金采用铝镁、铝锰合金之一种。
3、一种制备如权利要求1所述的述半固态连接材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在铝基合金中添加可与铝形成金属间化合物的合金元素，合金元素的添加量为3～5wt％；
(2)在10-2乇量级的低真空中或氩气保护下进行电弧熔炼，去掉表皮后冷轧成片状，得到铝基合金加铝的金属间化合物的半固态连接材料。
4、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所说的合金元素采用第四或第五主族的钛、锆、铪、钒、铌、钽等元素之一种。
5、一种用权利要求1所述的半固态连接材料进行连接的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将厚度为0.3～0.5mm的片状半固态连接材料，插入被连接材料之间，
(2)再置于5×10-5乇以上的真空炉中加压3～10兆帕，加热升温至750～850℃，保温15～30分钟后冷却至室温形成接头。
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