陶瓷的連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl基合金具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度，并具有優(yōu)異的常溫和高溫力學(xué)性能，使用溫度可達(dá)到700?1000°C，成為當(dāng)代航空工業(yè)、兵器工業(yè)以及民用工業(yè)等領(lǐng)域的優(yōu)秀候選高溫結(jié)構(gòu)材料之一，具有巨大的工程化應(yīng)用潛力。
[0003]Ti3SiC2是一種新型層狀陶瓷材料，兼有金屬和陶瓷的許多優(yōu)良性能，具備高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、易加工，同時(shí)具有良好的抗熱震性、抗氧化性和高溫穩(wěn)定性。在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電極材料、可加工陶瓷材料和自潤滑材料等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
[0004]由于TiAl基合金與Ti3SiC^瓷各自具有獨(dú)特的優(yōu)良性能，且兩者的優(yōu)勢可以互補(bǔ)，研究這兩種材料的連接方法對于新型空天材料具有明顯的意義。特別是對于兩種材料組成的復(fù)合構(gòu)件，能顯著的提高構(gòu)件比強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗氧化性能，具有良好的應(yīng)用前景。此外，將上述兩種材料經(jīng)連接后形成復(fù)合材料，可以作為苛刻環(huán)境下使用的新型空天材料。例如，通過擴(kuò)散連接得到的TiAVTi3SiC2復(fù)合板不僅繼承了 TiAl基合金低密度和良好高溫性能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也解決了 TiAl基合金耐磨性差和高溫抗氧化性不足的問題。TiAl/Ti3SiC2金屬-陶瓷復(fù)合板可作為滿足未來空天飛行器在大氣層內(nèi)外的苛刻使用條件而設(shè)計(jì)的一材多用的通用型新材料。
[0005]然而兩種材料的完美結(jié)合是本領(lǐng)域一直未曾解決的技術(shù)難題，因此有必要提供一種連接技術(shù)，使此種復(fù)合材料能得以充分利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)上述提出的TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷難以連接的技術(shù)問題，而提供一種TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接方法。本發(fā)明主要利用Al作為中間層的瞬間液相(Transient Liquid Phase-TLP)擴(kuò)散連接實(shí)現(xiàn)TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷連接。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0008]—種TiAl基合金與11331(:2陶瓷的連接方法，其特征在于:采用Al作為中間層，通過瞬間液相擴(kuò)散連接技術(shù)將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述中間層采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或Ti3SiC2陶瓷的待連接面上熱噴涂或磁控濺射一層金屬Al作為中間層。
[0010]進(jìn)一步地，所述的TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接方法，其特征在于包括如下步驟:
[0011 ] S1、將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷分別加工得到待連接的TiAl基合金試件和11331(:2陶瓷試件，然后對所述TiAl基合金試件與Ti 3SiC2陶瓷試件的待連接面進(jìn)行拋光處理，然后放入丙酮中超聲清洗；
[0012]S2、在TiAl基合金試件與11331(:2陶瓷試件的待連接面之間加入Al作為中間層，組合成TiAl基合金試件-Al中間層-11351(:2陶瓷試件的裝配件；
[0013]S3、將所述裝配件放置在真空熱壓裝置中，然后通電加熱進(jìn)行擴(kuò)散連接。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟S3中整個(gè)加熱加壓過程如下:
[0015]I)升溫階段:以10?40°C /min的速度進(jìn)行升溫到650?950°C，升溫階段壓力為O?5MPa ；
[0016]2)保溫階段:升溫階段結(jié)束后在650?900°C保溫，保溫時(shí)間為10?120min，保溫階段的壓力為5?50MPa ；
[0017]3)降溫階段:保溫完成后，連接件隨爐冷卻，控制冷卻速度不大于30°C /min。
[0018]進(jìn)一步地，當(dāng)所述中間層為Al箔或經(jīng)熱噴涂或磁控濺射后形成的層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述中間層厚度為5 μ m?500 μ m，純度為92 %?99.99 %，表面粗糙度為Ral.6?Ra0.08 ；當(dāng)所述中間層為Al粉時(shí)，所述Al粉的粒度為40-400目，純度為92%?99.99%。
[0019]本發(fā)明選擇與TiAl基合金和Ti3SiC2陶瓷都有良好潤濕性的金屬Al作為中間層材料。由于Al是TiAl基合金的主要成分，Al擴(kuò)散進(jìn)入TiAl基合金中可以與形成TiAljP打八13相，與TiAl基合金具有良好的結(jié)合能力。而Al擴(kuò)散進(jìn)入Ti 3SiC2中可以取代Ti 3SiC2中的Si原子，形成Ti3AlC2A Ti3SiC2結(jié)構(gòu)相似，易于連接，同時(shí)Ti 3SiC2中的Si擴(kuò)散進(jìn)入Al中間層可以生成共晶相，強(qiáng)化Al中間層。通過Al與TiAl基合金和Al與Ti3SiC2陶瓷的擴(kuò)散結(jié)合實(shí)現(xiàn)TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接。
[0020]本發(fā)明相對于直接擴(kuò)散連接TiAl基合金與Ti3SiC2來說具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]在680°C以上時(shí)，作為中間層的Al已經(jīng)處于液態(tài)了，活性較高，能和基體快速反應(yīng)，可以縮短保溫時(shí)間，降低連接所需溫度；同時(shí)液態(tài)的Al具有流動性，對待連接面上孔洞的良好的填充性能，并且可以很好通過Al中間層在液態(tài)時(shí)的流動和固態(tài)時(shí)的塑性變形來減小焊接熱應(yīng)力，避免焊接熱應(yīng)力造成的開裂和接頭性能變差。因此，瞬間液相擴(kuò)散連接相對于直接的擴(kuò)散連接可以縮短保溫時(shí)間，降低連接溫度，減小擴(kuò)散連接時(shí)所需要的壓力，利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明與其他采用復(fù)合中間層擴(kuò)散連接TiAl基合金與11351(:2陶瓷的方法相比，具有中間層成分單一，制備工藝簡單，價(jià)格低廉，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023]圖1是本發(fā)明裝配件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明采用Al箔或Al粉形成裝配件的示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明在TiAl基合金試件表面經(jīng)熱噴涂或磁控濺射后形成的Al中間層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4是本發(fā)明在11351(:2陶瓷試件表面經(jīng)熱噴涂或磁控濺射后形成的Al中間層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1、TiAl基合金試件2、Ti3SiC^瓷試件3、A1中間層
【具體實(shí)施方式】
[0028]—種TiAl基合金與Ti3SiC^瓷的連接方法，采用Al作為中間層，通過瞬間液相擴(kuò)散連接技術(shù)將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷連接。
[0029]所述中間層采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或！!{仏陶瓷的待連接面上熱噴涂或磁控濺射一層金屬Al作為中間層。
[0030]實(shí)施例1
[0031]如圖1，圖2所示，一種TiAl基合金與Ti3SiC^瓷的連接方法，包括如下步驟:
[0032]S1、將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷分別用電火花線切割加工得到待連接的尺寸為1mX 1mX 3mm的TiAl基合金試件I和尺寸為IlmX IImX 3mm的1135丨(:2陶瓷試件2，然后對所述TiAl基合金試件I與1133丨(:2陶瓷試件2的待連接面采用200#、400#、600#、1000#的砂紙進(jìn)行逐級研磨后用1.5 μπι金剛石拋光膏拋光，然后放入丙酮中超聲清洗5min?20min，優(yōu)選清洗15min ；
[0033]S2、將Al箔作為中間層3加入TiAl基合金試件I與11331(:2陶瓷試件2的待連接面之間，組合成TiAl基合金試件1-Al中間層3-11351(:2陶瓷試件2的裝配件，其中Al中間層3厚度為100 μm，純度為99.99%,表面粗糙度為Ra0.2，放入前進(jìn)行超聲清洗；
[0034]S3、將所述裝配件放置在熱壓燒結(jié)爐中，先抽真空到30Pa以下，再充入20Kpa的氬氣保護(hù)，然后通電加熱進(jìn)行擴(kuò)散連接。
[0035]整個(gè)加熱加壓過程如下:
[0036]I)升溫階段:以10?40°C /min的速度進(jìn)行升溫到800°C，升溫階段壓力為3MPa ;
[0037]2)保溫階段:升溫階段結(jié)束后在800°C保溫，保溫時(shí)間為30min，保溫階段的壓力為 1MPa ；
[0038]3)降溫階段:保溫完成后，連接件隨爐冷卻，控制冷卻速度不大于30°C /min。
[0039]通過Al作為中間層3的瞬間液相擴(kuò)散連接獲得的TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接件，實(shí)驗(yàn)得到的連接件的接頭無宏觀裂紋，經(jīng)過室溫剪切強(qiáng)度測試，得到接頭的抗剪切強(qiáng)度為18.7MPa。
[0040]實(shí)施例2
[0041]本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是在S2中，不米用Al箔作為中間層3，而是米用Al粉鋪在待連接面中間作為中間層3，其中Al粉的粒度為40目到400目，純度為92?99.99%。
[0042]實(shí)施例3
[0043]本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是在S2中，不采用Al箔作為中間層3，而是在TiAl基合金試件I (或!1351(:2陶瓷試件2)的待連接面上磁控濺射或熱噴涂一層金屬Al作為中間層3(如圖3、圖4所示)，其中Al中間層3的厚度為5 μπι?500 μπι，其他條件與實(shí)施例1相同。
[0044]實(shí)施例4
[0045]本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是在S3中，抽真空到IX 10 1Pa以下，不充入氬氣作為保護(hù)，其他條件與實(shí)施例1相同。
[0046]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種TiAl基合金與Ti #1(:2陶瓷的連接方法，其特征在于:采用Al作為中間層，通過瞬間液相擴(kuò)散連接技術(shù)將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiAl基合金與Ti#1(:2陶瓷的連接方法，其特征在于:所述中間層采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或11351(:2陶瓷的待連接面上熱噴涂或磁控濺射一層金屬Al作為中間層。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接方法，其特征在于包括如下步驟: S1、將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷分別加工得到待連接的TiAl基合金試件和Ti3SiC2陶瓷試件，然后對所述TiAl基合金試件與11331(:2陶瓷試件的待連接面進(jìn)行拋光處理，然后放入丙酮中超聲清洗； S2、在TiAl基合金試件與11351(:2陶瓷試件的待連接面之間加入Al作為中間層，組合成TiAl基合金試件-Al中間層-11351(:2陶瓷試件的裝配件； S3、將所述裝配件放置在真空熱壓裝置中，然后通電加熱進(jìn)行擴(kuò)散連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiAl基合金與Ti#1(:2陶瓷的連接方法，其特征在于:所述步驟S3中整個(gè)加熱加壓過程如下: .1)升溫階段:以10?40°C/min的速度進(jìn)行升溫到650?950°C，升溫階段壓力為O?.5MPa ； .2)保溫階段:升溫階段結(jié)束后在650?900°C保溫，保溫時(shí)間為10?120min，保溫階段的壓力為5?50MPa ； . 3)降溫階段:保溫完成后，連接件隨爐冷卻，控制冷卻速度不大于30°C/min。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiAl基合金與Ti#1(:2陶瓷的連接方法，其特征在于:當(dāng)所述中間層為Al箔或經(jīng)熱噴涂或磁控濺射后形成的層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述中間層厚度為5 μπι?.500 μ m，純度為92%?99.99%，表面粗糙度為Ral.6?Ra0.08 ;當(dāng)所述中間層為Al粉時(shí)，所述Al粉的粒度為40-400目，純度為92%?99.99%。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接方法，其特征在于：采用Al作為中間層，通過瞬間液相擴(kuò)散連接技術(shù)將TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷連接。具體包括如下步驟：加工得到待連接試件，對其待連接面進(jìn)行拋光和清洗；在TiAl基合金和Ti3SiC2陶瓷的待連接面中間加入Al中間層組成裝配件，Al中間層可采用Al箔或者Al粉，也可以某一基體的連接面上采用熱噴涂或磁控濺射制備一層金屬Al作為中間層；將裝配件放入真空熱壓裝置中，加熱到連接溫度，保溫一段時(shí)間后完成擴(kuò)散連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了TiAl基合金與Ti3SiC2陶瓷的連接，具有耗能少，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】C04B37/02
【公開號】CN105016763
【申請?zhí)枴緾N201510451080
【發(fā)明人】陳國清, 王琪, 于鐵, 付雪松, 付連生
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月27日