本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷釬焊的釬料及采用該釬料進(jìn)行釬焊的工藝。
背景技術(shù)：
超高溫陶瓷中，以ZrB2為代表的超高溫陶瓷材料具有較高的熱導(dǎo)率、適中的熱膨脹系數(shù)和良好的抗氧化燒蝕性能，可以在2000℃以上的氧化環(huán)境中保持長時(shí)間而非燒蝕，可以廣泛用于超高速飛行器的鼻錐、前緣等關(guān)鍵部位。因此近年來受到國內(nèi)外廣泛重視。
超高溫陶瓷材料一般采用熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等傳統(tǒng)方式制備，通常只能制備尺寸較小、形狀簡單的超高溫陶瓷材料。但實(shí)際應(yīng)用中卻需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大的超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)，因此超高溫陶瓷材料的連接是亟待解決的問題。近年來研究中，釬焊連接以其工藝簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷材料連接的有效途徑之一。目前，釬焊ZrB2基超高溫陶瓷材料的釬料以傳統(tǒng)的Ag基、Cu基、Au基甚至Pd基等貴金屬釬料為主。然而，上述釬料在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)諸如潤濕性不好、界面結(jié)合不致密、力學(xué)性能不佳等問題。
因此，尋找一種性能優(yōu)良、性價(jià)比高的填充材料，制定合理的焊接工藝是實(shí)現(xiàn)ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料連接的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種熔化溫度適中、融化均勻，且表面潤濕及鋪展性能強(qiáng)的用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷釬焊的釬料；
本發(fā)明的第二目的是提供采用該釬料進(jìn)行釬焊的工藝。
技術(shù)方案：本發(fā)明用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷釬焊的釬料，按重量百分比計(jì)包括如下組分：Cu 37.5～40.0％、Ti 23.3～25.2％、Zr 26.5～28.4％、Ni 4.5～6.5％及Co 1.5～3.0％。
本發(fā)明在釬料中添加Cu元素有利于提高合金釬料的塑性和強(qiáng)度，促進(jìn)ZrB2-SiC超高溫陶瓷固溶冶金反應(yīng)，提高釬焊接頭的綜合性能，優(yōu)選的，Cu的重量百分比可為38.8～39.4％；添加Ti有利于細(xì)化晶粒，提高釬料合金的強(qiáng)度，優(yōu)選 的，Ti的重量百分比可為24.3～24.6％；添加Zr元素，有利于釬料細(xì)化晶粒和提高釬料的高溫性能，優(yōu)選的，Zr的重量百分比可為27.8～28.1％；添加Ni和Co，能夠有效提高該釬料的抗氧化性和耐蝕性，優(yōu)選的，Ni的重量百分比可為6～6.2％，Co的重量百分比可為2.5～2.6％。
本發(fā)明采用用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷釬焊的釬料進(jìn)行釬焊的工藝，包括如下步驟：首先按重量百分比將各原料混合后制成釬焊材料裝配于經(jīng)過表面處理的ZrB2-SiC超高溫陶瓷上，制成焊接試樣，其次，將該焊接試樣置于真空釬焊設(shè)備中，先以8～12℃/min的速率升溫至290～310℃，保溫15～20min，再以8～12℃/min的速率升溫至910～1000℃，保溫時(shí)間25～35min，最后以4～6℃/min的速率冷卻至290～310K，隨爐冷卻至室溫，即可。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：首先，該用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷釬焊的釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻，能夠有效促進(jìn)釬焊連接過程中合金元素的擴(kuò)散和界面反應(yīng)，提高釬料在ZrB2-SiC超高溫陶瓷表面的潤濕和鋪展能力，細(xì)化晶粒和減小殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的力學(xué)性能；其次，該釬料與ZrB2-SiC超高溫陶瓷基體母材能夠充分形成固溶冶金反應(yīng)，組織細(xì)粒，且其具備優(yōu)異常溫和高溫性能，制得的ZrB2-SiC超高溫陶瓷的連接接頭性能穩(wěn)定可靠，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料連接的應(yīng)用領(lǐng)域；同時(shí)，本發(fā)明的釬焊工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，無須添加釬劑以及保護(hù)措施，整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤濕鋪展較好，能夠充分填充釬縫，提高接頭的整體強(qiáng)度，且擁有良好的塑性變形能力，能夠獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭，該工藝簡單，實(shí)施方便快捷，可重復(fù)再現(xiàn)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的釬焊結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
本發(fā)明的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣尺寸均為3mm×3mm×17mm，待釬焊面為3mm×17mm截面。
釬料的組分及含量：Cu 39.4％、Ti 24.3％、Zr 27.8％、Ni 6.0％及Co 2.5％，釬料厚度為80μm。
該釬料的制備方法包括如下步驟：
1)按重量百分比稱取純度高于99.99％的Cu顆粒39.4g、Ti顆粒24.3g、Zr顆粒27.8g、Ni顆粒6.0g、Co顆粒2.5g五種原料并進(jìn)行混合，其中Cu顆粒、Ti顆粒、Zr顆粒、Ni顆粒、Co顆粒粒徑大小為2～5mm，混合后倒入裝有丙酮的容器中，在室溫下將容器放入超聲清洗機(jī)中清洗12min；
2)清洗后倒出丙酮廢液，然后將混合物放入40℃的烘箱中進(jìn)行烘干，得到干燥均勻的混合物；
3)將清洗干燥后原料放入電弧爐中進(jìn)行熔煉，將多次反復(fù)熔煉后的合金錠切成小塊狀，放入高真空單輥甩帶機(jī)石英管中；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為180μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度到8×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至220mbar；
6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速在30m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體70s；
7)將Ar氣氣壓控制在50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為80μm。
本發(fā)明將釬料制備成箔片狀，有利于促進(jìn)釬焊連接過程中元素?cái)U(kuò)散以及界面反應(yīng)，促進(jìn)釬料與ZrB2-SiC超高溫陶瓷間固溶冶金反應(yīng)，有效緩解釬焊接頭中的殘余應(yīng)力，提高接頭的力學(xué)性能。
采用本發(fā)明的釬料進(jìn)行釬焊的工藝，包括如下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28～W7號金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，并使用拋光布進(jìn)行拋光處理，然后將ZrB2-SiC超高溫陶瓷與釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：使用502瞬間粘結(jié)劑將清洗后的釬料箔片裝配于兩塊ZrB2-SiC超高溫陶瓷片的待焊表面之間，將準(zhǔn)備好的連接件放入特制夾具中，確保連接的精度，并在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.015MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度到8×10-4Pa的釬焊設(shè)備中，先以15℃/min的速率升溫至750℃，保溫20min，再繼續(xù)以10℃/min的速率升溫至910℃，保溫時(shí)間30min，然后以5℃/min的速率冷卻至300℃，最后隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊制得的ZrB2-SiC超高溫陶瓷接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，接頭剪切強(qiáng)度為177MPa。
實(shí)施例2
本發(fā)明采用的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣尺寸均為3mm×3mm×17mm，待釬焊面為3mm×17mm截面。
釬料的組分及含量：Cu 38.8％，Ti 24.6％，Zr 27.8％，Ni 6.2％、Co 2.6％。
該釬料的制備方法與實(shí)施例1中的制備方法相同，制備得到的釬料箔片帶的厚度為80μm。
采用本發(fā)明的釬料進(jìn)行釬焊的工藝，包括如下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28～W7號金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，并使用拋光布進(jìn)行拋光處理，然后將ZrB2-SiC超高溫陶瓷與釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：使用502瞬間粘結(jié)劑將清洗后的釬料箔片裝配于兩塊ZrB2-SiC超高溫陶瓷片的待焊表面之間，將準(zhǔn)備好的連接件放入特制夾具中，確保連接的精度，并在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.015MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.0×10-3Pa的釬焊設(shè)備中，首先以20℃/min的速率升溫至800℃，保溫20min，再繼續(xù)以10℃/min的速率升溫至950℃，保溫時(shí)間25min，然后以5℃/min的速率冷卻至300℃，最后隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊制得的ZrB2-SiC超高溫陶瓷接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，接頭剪切強(qiáng)度為153MPa。
實(shí)施例3
本發(fā)明采用的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣尺寸均為3mm×3mm×17mm，待釬焊面為3mm×17mm截面。
釬料的組分及含量：Cu 38.9％，Ti 24.3％，Zr 28.1％，Ni 6.2％，Co 2.5％。該釬料的制備方法與實(shí)施例1中的制備方法相同，制備得到的釬料箔片帶的厚度為80μm。
采用本發(fā)明的釬料進(jìn)行釬焊的工藝，包括如下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的ZrB2-SiC超高溫陶瓷試樣表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W28～W7號金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，并使用拋光布進(jìn)行拋光處理，然后將ZrB2-SiC超高溫陶瓷與釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：使用502瞬間粘結(jié)劑將清洗后的釬料箔片裝配于兩塊ZrB2-SiC超高溫陶瓷片的待焊表面之間，將準(zhǔn)備好的連接件放入特制夾具中，確保連接的精度，并在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.015MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度為8×10-4Pa的釬焊設(shè)備中，首先以20℃/min的速率升溫至800℃，保溫20min，再以8℃/min的速率升溫至1000℃，保溫時(shí)間35min，然后以4℃/min的速率冷卻至290℃，最后隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
試驗(yàn)結(jié)果：釬焊獲得的ZrB2-SiC超高溫陶瓷接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，接頭剪切強(qiáng)度為127MPa。
實(shí)施例4
設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，基本步驟與實(shí)施例3相同，不同之處在于原料的含量及釬焊工藝中釬焊的鏈接階段，其中，9組試驗(yàn)釬焊連接階段具體為：將裝配好的夾具整體置于真空度為8×10-4Pa的釬焊設(shè)備中，首先以15℃/min的速率升溫至750℃，保溫15min，再以12℃/min的速率升溫至1000℃，保溫時(shí)間25min，然后以6℃/min的速率冷卻至310℃，最后隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
9組試驗(yàn)的原料含量分別為：
1、Cu 37.5％，Ti 25.2％，Zr 28.4％，Ni 6.5％，Co 2.4％；
2、Cu 40％，Ti 23.3％，Zr 28.4％，Ni 5.3％，Co 3％；
3、Cu 40％，Ti 24％，Zr 26.5％，Ni 6.5％，Co 3％；
4、Cu 40％，Ti 25.2％，Zr 27.8％，Ni 4.5％，Co 2.5％；
5、Cu 40％，Ti 25.2％，Zr 27％，Ni 6.3％，Co 1.5％；
6、Cu 38.8％，Ti 24.6％，Zr 27.8％，Ni 6.2％，Co 2.6％；
7、Cu 39.4％，Ti 24.3％，Zr 27.8％，Ni 6％，Co 2.5％；
8、Cu 30％，Ti 18％，Zr 44％，Ni 7％，Co 1％；
9、Cu 42％，Ti 20％，Zr 30％，Ni 3％，Co 5％；
將9組制備的釬焊接頭進(jìn)行性能檢測，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1不同的釬料含量制備的釬焊接頭性能對照表
由表1可知，采用本發(fā)明組分范圍內(nèi)的釬料，其熔化溫度適中，釬料熔化均勻，能夠有效促進(jìn)釬焊連接過程中合金元素的擴(kuò)散和界面反應(yīng)，提高釬料在ZrB2-SiC超高溫陶瓷表面的潤濕和鋪展能力，細(xì)化晶粒和減小殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的力學(xué)性能。