本發(fā)明涉及陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊方法，具體涉及一種殘余應(yīng)力低、性能可靠穩(wěn)定的復(fù)合中間層釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的方法。
背景技術(shù)：
新型陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、良好的斷裂韌性、高溫抗氧化性和抗熱震性能，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而在實(shí)際應(yīng)用中，為解決因陶瓷材料自身硬度高帶來(lái)的構(gòu)件加工難度大的問題，需制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件。
目前，連接陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料和金屬最常見的方法是釬焊。陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料和金屬連接需要解決的問題有：1）選擇合適的釬料，實(shí)現(xiàn)釬料對(duì)陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料的潤(rùn)濕，并控制陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與釬料的界面反應(yīng)程度；2）改善接頭中脆性化合物的分布，降低接頭組織的脆性，提高接頭抗承載能力；3）制備合適的中間層，實(shí)現(xiàn)釬焊接頭熱膨脹系數(shù)的梯度過(guò)渡，減小接頭中的殘余應(yīng)力，提高接頭的性能。為解決上述3個(gè)問題，可以使用多孔材料作為中間層，保證在釬焊的過(guò)程中，釬料與中間層反應(yīng)，形成雙相連續(xù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，另外，多孔材料作為中間層，可降低釬縫的熱膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)的梯度過(guò)渡，有效緩解殘余應(yīng)力。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410828181.7、CN201410249916.0、CN201510619427.4、CN201610056882.2的中國(guó)專利介紹了以多孔材料或泡沫材料作為中間層連接陶瓷或異種材料的方法。上述方法均考慮在釬焊過(guò)程中釬料熔化后通過(guò)毛細(xì)作用滲入填充材料結(jié)構(gòu)孔隙中，形成復(fù)合中間層結(jié)構(gòu)釬縫，實(shí)現(xiàn)接頭熱脹系數(shù)梯度過(guò)渡，緩解接頭殘余應(yīng)力。然而，液態(tài)釬料與金屬材料相互作用，在釬縫中形成多種脆性化合物，會(huì)增加液態(tài)釬料的粘度，降低液態(tài)釬料的流動(dòng)性，使多孔材料局部位置存在填充不足及多孔材料與液態(tài)釬料反應(yīng)不充分的問題。特別是，多孔材料對(duì)液態(tài)釬料中活性元素的消耗，會(huì)導(dǎo)致釬料中活性元素與待焊陶瓷反應(yīng)不充分，因此需開發(fā)一種新的中間層解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊接頭殘余應(yīng)力較高，可靠性較低的問題，而提供一種復(fù)合中間層釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的方法。
本發(fā)明復(fù)合中間層釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：
一、將待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料用砂紙打磨，然后用丙酮清洗10min～20min，得到干凈的待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料；
二、將干凈的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末釬料包覆多孔陶瓷形成中間層，然后把中間層置于真空釬焊爐中，以加熱速率為2℃/min～50℃/min升溫至840℃～920℃，保溫1min～30min，冷卻至室溫后切割成箔片獲得以多孔陶瓷為骨架的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層；
三、將干凈的待焊金屬材料、AgCuTi箔狀釬料、陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層、Ti箔、AgCuTi箔狀釬料、待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料按順序依次由下到上疊放，固定后得到待焊件；
四、將步驟三得到的待焊件置于真空釬焊爐中，以加熱速率為1℃/min～50℃/min升溫至800℃～910℃，保溫5min～30min，然后以降溫速率為2℃/min～20℃/min降溫至400℃，然后隨爐冷卻至150℃，開爐取件，即完成陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的釬焊；
其中步驟二所述的AgCuTi粉末釬料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.8%～71.3%的Ag，25.2%～27.7%的Cu和1%～10%的TiH2組成。
本發(fā)明提出一種采用無(wú)壓浸滲法使液態(tài)AgCuTi釬料填充多孔陶瓷制備陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層，然后將AgCuTi箔/陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層/Ti箔/AgCuTi箔疊放在一起釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬。采用此方法主要包含有以下三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：
1）釬焊前制備陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層，可保證多孔陶瓷與AgCuTi釬料發(fā)生充分的化學(xué)冶金反應(yīng)，最終形成以陶瓷為骨架，金屬填充陶瓷孔洞的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層。通過(guò)選取不同孔隙率和孔徑的多孔陶瓷，靈活調(diào)節(jié)中間層的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等多項(xiàng)熱物理性能。特別是，雙相連續(xù)中間層是在釬焊之前采用無(wú)壓浸滲方法制備，可以保證液態(tài)AgCuTi釬料充分填充多孔陶瓷的孔隙中，不會(huì)存在局部未填滿區(qū)域。
2）在復(fù)合中間層中使用陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層，可保證接頭脆性化合物不向陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料側(cè)偏聚，從而改善接頭脆性化合物的分布狀態(tài)。
3）在復(fù)合中間層中使用Ti箔，可以補(bǔ)充釬料中被多孔陶瓷消耗的活性元素Ti，保證釬料與陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料充分反應(yīng)。此外，Ti箔的加入，可以進(jìn)一步調(diào)控接頭熱膨脹系數(shù)，保證熱膨脹系數(shù)由陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料側(cè)到金屬材料側(cè)的梯度過(guò)渡，進(jìn)而降低接頭的殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度，使接頭強(qiáng)度提高了187%，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
附圖說(shuō)明
圖1為實(shí)施例一得到的ZrB2-SiC-C陶瓷基復(fù)合材料與GH99合金的釬焊接頭的微觀組織圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式復(fù)合中間層釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：
一、將待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料用砂紙打磨，然后用丙酮清洗10min～20min，得到干凈的待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料；
二、將干凈的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末釬料包覆多孔陶瓷形成中間層，然后把中間層置于真空釬焊爐中，以加熱速率為2℃/min～50℃/min升溫至840℃～920℃，保溫1min～30min，冷卻至室溫后切割成箔片獲得以多孔陶瓷為骨架的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層；
三、將干凈的待焊金屬材料、AgCuTi箔狀釬料、陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層、Ti箔、AgCuTi箔狀釬料、待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料按順序依次由下到上疊放，固定后得到待焊件；
四、將步驟三得到的待焊件置于真空釬焊爐中，以加熱速率為1℃/min～50℃/min升溫至800℃～910℃，保溫5min～30min，然后以降溫速率為2℃/min～20℃/min降溫至400℃，然后隨爐冷卻至150℃，開爐取件，即完成陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的釬焊；
其中步驟二所述的AgCuTi粉末釬料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.8%～71.3%的Ag，25.2%～27.7%的Cu和1%～10%的TiH2組成。
本實(shí)施方式步驟二通過(guò)AgCuTi粉末釬料包覆多孔陶瓷的兩側(cè)表面并填充到孔中，然后置于釬焊爐中加熱粉末釬料，粉末釬料熔化后將多孔陶瓷上的孔填滿。
本實(shí)施方式所述的復(fù)合中間層連接陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料和金屬的方法，釬焊前首先制備一種陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層，并以金屬材料、AgCuTi釬料、陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層、Ti箔、AgCuTi釬料、陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料的順序依次從下到上疊放。由于釬焊過(guò)程中，部分陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層中的陶瓷相會(huì)與液態(tài)釬料繼續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致AgCuTi釬料中活性Ti元素實(shí)際含量減少，使得陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料側(cè)出現(xiàn)反應(yīng)不足的問題，因此，需要將Ti箔置于陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層和AgCuTi釬料之間。
本實(shí)施方式在釬焊之前采用無(wú)壓浸滲法使液態(tài)AgCuTi釬料填充多孔陶瓷制備陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層，將AgCuTi箔/陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層/Ti箔/AgCuTi箔疊放在一起釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬。主要解決了現(xiàn)有陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬釬焊中的三個(gè)問題：實(shí)現(xiàn)釬料對(duì)非金屬的潤(rùn)濕，并控制陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料側(cè)的界面反應(yīng)程度；改善接頭中脆性化合物的分布，降低接頭組織脆性，提高接頭承載能力；實(shí)現(xiàn)釬焊接頭熱膨脹系數(shù)的梯度過(guò)渡，減小接頭中的殘余應(yīng)力。
具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是步驟一用80#～1000#SiC砂紙打磨待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是步驟一所述的待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料為ZrB2-SiC-C陶瓷基復(fù)合材料、ZrB2-SiC陶瓷基復(fù)合材料、C/SiC陶瓷基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料、SiC陶瓷、ZrB2陶瓷、ZrO2陶瓷、Al2O3陶瓷或石墨。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是步驟一所述的待焊金屬材料為鋼、鈮、鎳、鐵鎳合金、鈦鎳合金或高溫合金。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。
具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是所述的多孔陶瓷為多孔SiC陶瓷或Si3N4陶瓷，其孔隙率為10%～85%，平均孔徑為200μm～1.7mm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。
具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是步驟一所述的AgCuTi箔狀釬料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的Ti組成。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。
具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是步驟一所述的AgCuTi箔狀釬料的厚度為30μm～100μm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。
具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是步驟一所述的Ti箔的純度為99.6%～99.9%，厚度為50μm～300μm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至七之一相同。
具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是步驟二以加熱速率為10℃/min～20℃/min升溫至840℃～920℃，保溫2min～20min，以降溫速率為2℃/min～20℃/min冷卻至室溫。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至八之一相同。
具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同的是步驟二陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層的厚度為100μm～2mm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至九之一相同。
具體實(shí)施方式十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至十之一不同的是步驟四以加熱速率為15℃/min升溫至850℃，保溫10min，然后以降溫速率為10℃/min降溫至400℃，然后隨爐冷卻至150℃。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至十之一相同。
實(shí)施例一：本實(shí)施例復(fù)合中間層釬焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬的方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：
一、將待焊ZrB2-SiC-C復(fù)合材料、待焊GH99合金、多孔SiC陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料用砂紙打磨，然后用丙酮清洗20min，去除材料表面的氧化膜和雜質(zhì)，得到干凈的待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料、待焊金屬材料、多孔SiC陶瓷、Ti箔和AgCuTi箔狀釬料；
二、將干凈的多孔陶瓷放入模具中，再用AgCuTi粉末釬料包覆多孔陶瓷形成中間層，然后把中間層置于真空釬焊爐中，以加熱速率為15℃/min升溫至860℃，保溫10min，以降溫速率10℃/min降溫至400℃，然后隨爐冷卻至150℃，切割至厚度為250μm的箔片獲得以多孔陶瓷為骨架的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層；
三、將干凈的待焊金屬材料、AgCuTi箔狀釬料、陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層、Ti箔、AgCuTi箔狀釬料、待焊陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料按順序依次由下到上疊放，固定后得到待焊件；
四、將步驟三得到的待焊件置于真空釬焊爐中，以加熱速率為15℃/min升溫至850℃，保溫10min，然后以降溫速率為10℃/min降溫至400℃，然后隨爐冷卻至150℃，開爐取件，即完成陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的釬焊；
其中步驟一所述的AgCuTi箔狀釬料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的Ti組成，其厚度為80μm；所述Ti箔厚度為80μm；所述多孔SiC陶瓷平均孔徑為1mm，平均孔隙率為75%。
步驟二所述的AgCuTi粉末釬料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.8%的Ag，26.7%的Cu和4.5%的TiH2組成。
圖1為本實(shí)施例得到的ZrB2-SiC-C復(fù)合材料（ZSC復(fù)合材料）與GH99合金的釬焊接頭微觀組織。從圖1可觀察到釬料完全填充多孔SiC陶瓷骨架，釬縫中未出現(xiàn)氣孔、未焊合等缺陷，活性釬料與多孔SiC陶瓷及兩側(cè)母材界面反應(yīng)充分，形成了良好的冶金結(jié)合，陶瓷母材側(cè)和釬縫中沒有裂紋，且連續(xù)的帶狀脆性化合物僅分布在GH99側(cè)。AgCuTi/Ti/陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層/AgCuTi復(fù)合中間層釬焊ZrB2-SiC-C復(fù)合材料與GH99時(shí)，熱膨脹系數(shù)由陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料側(cè)到金屬側(cè)的梯度過(guò)渡，進(jìn)而降低接頭的殘余應(yīng)力，提高接頭的強(qiáng)度。
本實(shí)施例AgCuTi/Ti/陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層/AgCuTi復(fù)合中間層連接陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料，經(jīng)測(cè)試，ZrB2-SiC-C復(fù)合材料與GH99合金的室溫抗剪強(qiáng)度達(dá)到112MPa。
實(shí)施例二：本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是步驟一為ZrO2陶瓷，步驟二得到的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層厚度為200μm，步驟四以加熱速率為15℃/min升溫至860℃。其它與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例經(jīng)測(cè)試，ZrO2與GH99合金的室溫抗剪強(qiáng)度達(dá)到130MPa。
實(shí)施例三：本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是所述陶瓷基復(fù)合材料為C/C復(fù)合材料，金屬材料為Nb，步驟二得到的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層厚度為200μm，步驟四以加熱速率為15℃/min升溫至860℃。
本實(shí)施例經(jīng)測(cè)試，C/C復(fù)合材料與Nb的室溫抗剪強(qiáng)度達(dá)到31MPa。
實(shí)施例四：本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是所述陶瓷基復(fù)合材料為C/C復(fù)合材料，金屬材料為不銹鋼，步驟二得到的陶瓷-金屬雙相連續(xù)中間層厚度為300μm，步驟四以加熱速率為15℃/min升溫至860℃。其它與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例經(jīng)測(cè)試，C/C復(fù)合材料與不銹鋼的室溫抗剪強(qiáng)度為40MPa。
實(shí)施例五：本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是所述的金屬材料為Invar合金，步驟四以加熱速率為15℃/min升溫至860℃。其它與實(shí)施例一相同。
本實(shí)施例經(jīng)測(cè)試，ZrB2-SiC-C復(fù)合材料與Invar的室溫抗剪強(qiáng)度為81MPa。