一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料以其優(yōu)異的高溫綜合性能在航空、航天等許多極端嚴(yán)苛環(huán)境都具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)今熱端部件的首選材料。但陶瓷材料脆性較大，難以獲得大尺寸和復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，大大限制了陶瓷材料的工程應(yīng)用，因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷材料自身或者與金屬材料的可靠連接已成為陶瓷材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般采用活性釬焊方法實(shí)現(xiàn)陶瓷-陶瓷和陶瓷-金屬的連接，該方法工藝簡單、重復(fù)性好、對連接件尺寸和形狀適應(yīng)性強(qiáng)。傳統(tǒng)活性釬焊方法通過在釬料中添加活性金屬元素(如T1、Zr、Hf等)，利用其與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵而形成可靠連接。但是，由于陶瓷與金屬(金屬母材或者釬料)的熱膨脹性能存在巨大差異，接頭冷卻過程中的熱失配在連接界面產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，降低接頭強(qiáng)度和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊方法連接的接頭強(qiáng)度低、陶瓷基材料與金屬的熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力大、可靠性低的問題，提供一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法。
[0004]本發(fā)明一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法，是按以下步驟進(jìn)行:
[0005]一、導(dǎo)電陶瓷基母材連接面表面處理:
[0006]a、利用精密線切割技術(shù)將導(dǎo)電陶瓷基母材以及對應(yīng)連接件相連接面加工成圓弧面，其中若導(dǎo)電陶瓷基母材的熱膨脹系數(shù)小于對應(yīng)連接件的熱膨脹系數(shù)，則導(dǎo)電陶瓷基母材表面為凸面，對應(yīng)連接件的表面為凹面，且弧度相等；若導(dǎo)電陶瓷基母材的熱膨脹系數(shù)大于對應(yīng)連接件的熱膨脹系數(shù)，則導(dǎo)電陶瓷基母材表面為凹面，對應(yīng)連接件為凸面，弧度相等;
[0007]b、通過線切割將步驟a處理后的導(dǎo)電陶瓷基母材連接面加工成齒形槽狀結(jié)構(gòu)，其中槽深為0.3?3mm，槽寬為0.3?3mm，兩個(gè)槽的間距為0.3?2mm，槽深度方向與待連接面切線方向的夾角為90?150° ；
[0008]C、將步驟b表面處理后的導(dǎo)電陶瓷基母材和步驟a表面處理后的對應(yīng)連接件打磨清理，再用丙酮清洗并烘干，得到清洗后的導(dǎo)電陶瓷基母材和對應(yīng)連接件；
[0009]二、配制釬料:復(fù)合釬料包含B源和含Ti共晶合金系，其中Ti元素和B元素的摩爾比為(10?I):1 ;B源為B、TiB2' ZrB2, HfB2, HfB, BN和B4C中的任意一種或幾種按任意比組成的混合物，含Ti共晶合金系為T1-N1、T1-Cu、Ag-Cu-Ti或T1-Si ;若導(dǎo)電陶瓷基母材或?qū)?yīng)連接件中含有B源，則不加B源或降低B源加入量；終產(chǎn)物的釬焊接頭中TiB晶須的體積含量不低于5% ;
[0010]三、釬料放置
[0011]將步驟二配制的復(fù)合釬料、松油醇和乙基纖維素均勻攪拌成膏體，得到復(fù)合釬料膏，其中復(fù)合釬料、松油醇和乙基纖維素的質(zhì)量比為10: (0.2?2): (0.4?3)，將復(fù)合釬料膏涂覆于步驟一清洗后的導(dǎo)電陶瓷基母材和對應(yīng)連接件的連接面之間，即得待焊組件；或?qū)⒅苽涞膹?fù)合釬料膏通過甩帶或擠壓成箔后置于對應(yīng)連接體之間，得到待焊組件；
[0012]四、真空釬焊連接
[0013]將待焊組件置于真空爐中，將真空釬焊爐抽真空至5 X 10 4?I X 10 3Pa,然后將真空釬焊爐以15°C /min的速度升溫至溫度T1，并保溫5min?lOmin，再以10°C /min的速度升溫至釬焊溫度T2，并保溫1min?20min，然后以5?10°C /min的速度降溫至400°C，最后隨爐冷卻，即完成導(dǎo)電陶瓷基材料的釬焊連接；其中T1= T2-(100°C?200°C )，T2高于釬料液相線溫度10%?30%。
[0014]本發(fā)明一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法是按以下步驟進(jìn)行:
[0015]一、導(dǎo)電陶瓷基母材連接面表面處理:
[0016]通過線切割將導(dǎo)電陶瓷基母材連接面加工成齒形槽狀結(jié)構(gòu)，得到表面處理過的導(dǎo)電陶瓷基母材，其中槽深為0.3?3mm，槽寬為0.3?3mm，兩個(gè)槽的間距為0.3?2mm，槽深度方向與待連接面切線方向的夾角為90?150° ;將對應(yīng)連接件和表面處理過的導(dǎo)電陶瓷基母材打磨清理，再用丙酮清洗并烘干，得到清洗后的導(dǎo)電陶瓷基母材和對應(yīng)連接件；
[0017]二、配制釬料:復(fù)合釬料包含B源和含Ti共晶合金系，其中Ti元素和B元素的摩爾比為(10?I):1 ;B源為B、TiB2' ZrB2, HfB2, HfB, BN和B4C中的任意一種或幾種按任意比組成的混合物，含Ti共晶合金系為T1-N1、T1-Cu、Ag-Cu-Ti或T1-Si ;若導(dǎo)電陶瓷基母材或?qū)?yīng)連接件中含有B源，則不加B源或降低B源加入量；終產(chǎn)物的釬焊接頭中TiB晶須的體積含量不低于5% ;
[0018]三、釬料放置
[0019]將步驟二配制的復(fù)合釬料、松油醇和乙基纖維素均勻攪拌成膏體，得到復(fù)合釬料膏，其中復(fù)合釬料、松油醇和乙基纖維素的質(zhì)量比為10: (0.2?2): (0.4?3)，將復(fù)合釬料膏涂覆于步驟一清洗后的導(dǎo)電陶瓷基母材和對應(yīng)連接件的連接面之間，即得待焊組件；或?qū)⒅苽涞膹?fù)合釬料膏通過甩帶或擠壓成箔后置于對應(yīng)連接體之間，得到待焊組件；
[0020]四、真空釬焊連接
[0021 ] 將待焊組件置于真空爐中，將真空釬焊爐抽真空至5 X 10 4?I X 10 3Pa,然后將真空釬焊爐以15°C /min的速度升溫至溫度T1，并保溫5min?lOmin，再以10°C /min的速度升溫至釬焊溫度T2，并保溫1min?20min，然后以5?10°C /min的速度降溫至400°C，最后隨爐冷卻，即完成導(dǎo)電陶瓷基材料的釬焊連接；其中T1= T2-(100°C?200°C )，T2高于釬料液相線溫度10%?30% ;其中所述的導(dǎo)電陶瓷基母材與對應(yīng)連接件的熱膨脹系數(shù)相等。
[0022]本發(fā)明所述的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0023](I)在宏觀尺度充分利用導(dǎo)電陶瓷基材料的導(dǎo)電特性引入精密線切割技術(shù)對其連接面進(jìn)行多種形式的表面結(jié)構(gòu)的二次設(shè)計(jì)加工，可以有效減緩陶瓷/金屬連接界面近陶瓷一側(cè)的應(yīng)力集中，而且該工藝簡單易操作、成本低；
[0024](2)微觀尺度在釬焊界面附近和釬料層中可以同時(shí)原位生成TiB晶須，同時(shí)具有以下效果:
[0025]a.對連接界面進(jìn)行在微觀層次進(jìn)行界面的二次加工，分布在界面附近的TiB晶須可以在微觀尺度增加了界面連接面積并有效減緩陶瓷/金屬連接界面近陶瓷一側(cè)的應(yīng)力集中，還可以對殘余應(yīng)力進(jìn)行方向扭轉(zhuǎn)；
[0026]b.對釬料層材料進(jìn)行改性，釬料層由原來的純金屬材質(zhì)變?yōu)榻饘倩鵗iB晶須強(qiáng)化復(fù)合材料，有效減小了釬料層熱膨脹系數(shù)、降低了殘余應(yīng)力；
[0027]c.原位生成的TiB晶須可以有效扭轉(zhuǎn)接頭殘余應(yīng)力的方向，降低裂紋出現(xiàn)的幾率。
[0028](3)通過宏觀尺度和微觀尺度的聯(lián)合作用，最大程度上緩解了接頭應(yīng)力，提高接頭的強(qiáng)度可靠性。本方法獲得的導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭的抗壓剪強(qiáng)度為155?265MPa，比采用常規(guī)平直界面和無增強(qiáng)相的釬焊接頭強(qiáng)度提高了 165%?345%。
【附圖說明】
[0029]圖1為實(shí)施例一中表面處理過的ZrC導(dǎo)電陶瓷基母材的正視圖；
[0030]圖2為圖1的的剖面圖；
[0031]圖3為實(shí)施例一導(dǎo)電陶瓷基材料的釬焊連接后ZrC導(dǎo)電陶瓷基母材/Nb金屬母材接頭裝配示意圖；其中a為對應(yīng)連接件Nb母材，b為復(fù)合釬料，c為齒形槽狀結(jié)構(gòu)，d為ZrC導(dǎo)電陶瓷基母材；
[0032]圖4為實(shí)施例一對比的常規(guī)平直界面和無增強(qiáng)相的釬焊接頭裝配示意圖，其中a為對應(yīng)連接件Nb母材，b為復(fù)合釬料，d為ZrC導(dǎo)電陶瓷基母材。
【具體實(shí)施方式】
[0033]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種多尺度聯(lián)合提高導(dǎo)電陶瓷基材料釬焊接頭強(qiáng)度的方法，是按以下步驟進(jìn)行:
[0034]一、導(dǎo)電陶瓷基母材連接面表面處理:
[0035]a、利用精密線切割技術(shù)將導(dǎo)電陶瓷基母材以及對應(yīng)連接件相連接面加工成圓弧面，其中若導(dǎo)電陶瓷基母材的熱膨脹系數(shù)小于對應(yīng)連接件的熱膨脹系數(shù)，則導(dǎo)電陶瓷基母材表面為凸面，對應(yīng)連接件的表面為凹面，且弧度相等；若導(dǎo)電陶瓷基母材的熱膨脹系數(shù)大于對應(yīng)連接件的熱膨脹系數(shù)，則導(dǎo)電陶瓷基母材表面為凹面，對應(yīng)連接件為凸面，弧度相等;
[0036]b、通過線切割