一種基于高溫應(yīng)用的實現(xiàn)間隙碳化物或氮化物陶瓷無縫連接的復(fù)合活性中間層擴(kuò)散連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高溫應(yīng)用的實現(xiàn)間隙碳化物或氮化物陶瓷無縫連接的復(fù)合活性中間層擴(kuò)散連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過渡族金屬碳化物或氮化物陶瓷MCx或MNx (TiC, ZrC,和HfC等或TiN，Zr3N4等)具有熔點高(幾乎均在3000°C以上)、硬度大、熱膨脹系數(shù)低以及耐磨和耐腐蝕性能好等優(yōu)異的性能，已被認(rèn)為在超高溫條件下(如超音速飛行器、下一代火箭發(fā)動機(jī)和氣冷快速反應(yīng)堆等)最具有發(fā)展前景的陶瓷材料。但是，這些超高溫陶瓷部件在實際應(yīng)用中通常需要和金屬或者他們自身連接起來，所以連接是這些超高溫陶瓷部件加工制造過程中必不可少的環(huán)節(jié)。在焊接領(lǐng)域，對一般陶瓷來說，基本的要求是獲得具有良好機(jī)械性能的接頭。但是，對于超高溫陶瓷構(gòu)件來說，除了這個基本要求以外，由于他們苛刻的工作環(huán)境，還對接頭的耐熱性能有較高的要求。所以，如何獲得具有良好機(jī)械性能且耐高溫性能的接頭是超高溫陶瓷連接的重點和難點。但是，對于超高溫間隙碳化物或者氮化物陶瓷來說，現(xiàn)有的連接方法，如釬焊、擴(kuò)散焊、液相擴(kuò)散連接等，都不能很好地解決接頭的耐熱性問題以及因為異質(zhì)相的存在導(dǎo)致的殘余應(yīng)力問題。為了解決這兩個問題，申請人已發(fā)表的專利(申請?zhí)朇N201310227145.0)中，提出來了一種基于高溫應(yīng)用的間隙碳化物或氮化物陶瓷的活性擴(kuò)散連接方法，以單層活性金屬為中間層，致力于形成無金屬相殘留并與母材成分相近的均勻的連接接頭。但該方法對于缺位含量較少的超高溫間隙碳化物或氮化物陶瓷(如ZrC)來說，以單層活性金屬Ti為中間層時，在實際連接過程中，很難能形成勻質(zhì)擴(kuò)散接頭，只能在界面處形成兩相共存的全陶瓷接頭。這是由于新生碳化物在連接條件(連接溫度低于1400°C )下并不能完全固溶于母材中所導(dǎo)致的，這主要與兩相之間的溶解度間隙有關(guān)，使得形成均質(zhì)接頭所需要的時間、溫度及壓力非?？量?。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決單層活性金屬中間層無法形成勻質(zhì)互溶接頭的問題，提供一種基于高溫應(yīng)用的實現(xiàn)間隙碳化物或氮化物陶瓷無縫連接的復(fù)合活性中間層擴(kuò)散連接方法。
[0004]本發(fā)明一種基于高溫應(yīng)用的實現(xiàn)間隙碳化物或氮化物陶瓷無縫連接的復(fù)合活性中間層擴(kuò)散連接方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0005]—、表面清理:采用500#?1500#中的兩種或其中兩種以上型號的金剛石磨盤對兩個待連接的陶瓷母材進(jìn)行逐級打磨，再用1500#?2000#中的兩種或其中兩種以上型號的水磨砂紙逐級精磨，最后對精磨后的兩個待連接的陶瓷母材進(jìn)行拋光后，置于丙酮中，超聲波清洗15min?30min，然后置于無水乙醇中，超聲清洗1min?15min，最后置于干燥箱內(nèi)烘干，即得到兩個表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材為MCx單相陶瓷、MNx單相陶瓷、MNx/MNx復(fù)相陶瓷、MCx/MCx復(fù)相陶瓷或MNx/MCx復(fù)相陶瓷；
[0006]二、預(yù)置活性金屬層:采用磁控濺射技術(shù)或者電子蒸鍍的方式在步驟一得到的兩個表面清理后的陶瓷母材表面預(yù)置厚度為2?10 μ m的活性金屬層A，得到兩個具有活性金屬層的陶瓷母材，然后在兩個陶瓷母材的活性金屬層上進(jìn)行二次磁控濺射或電子蒸鍍，預(yù)置厚度為5?20 μ m的活性金屬層B，得到兩個具有雙層活性金屬層的陶瓷母材，依次用丙酮和無水乙醇對得到的兩個具有雙層活性金屬層的陶瓷母材清洗鍍層表面5min?lOmin，吹干后得到兩個待連接試樣；其中所述的活性金屬層A和B中的活性金屬均為T1、Zr、Hf、V、Nb或Ta，活性金屬層A和B中的活性金屬為兩種金屬；
[0007]三、真空擴(kuò)散連接:將步驟二得到的兩個待連接試樣的具有活性金屬層的待連接界面疊加起來，置于真空擴(kuò)散爐中，在連接壓力為15MPa?25MPa、真空度為0.8 X 10 3Pa?1.3X10 4Pa的條件下，以5?10°C /min的速度加熱到700°C，然后保溫10?180min，接著以5?10°C /min的速度升溫至連接溫度1300?1400°C，保溫10?180min時間后，以5 0C /min的速度冷降至800 °C，然后以10°C /min的速度冷卻至100 °C，之后隨爐冷卻至室溫，即完成。
[0008]本發(fā)明在相同連接溫度下實現(xiàn)勻質(zhì)固溶接頭的形成，很好地解決了單層中間層接頭中碳化物或氮化物間有限固溶的問題。針對間隙碳化物或氮化物陶瓷，特別對于含缺位較少的間隙碳化物或氮化物陶瓷，通過在陶瓷連接界面引入復(fù)合過渡活性金屬中間層與母材反應(yīng)，在陶瓷接頭的高溫使用方面，由于復(fù)合中間層在連接過程中的活性反應(yīng)形成高熔點碳化物或氮化物，無金屬相殘留，因此可實現(xiàn)提高接頭使用溫度的目的；在連接接頭的殘余應(yīng)力方面，通過減少與母材有限固溶的碳化物或氮化物的形成量，增加與母材完全固溶的碳化物或氮化物的形成量，使得新生碳化物或氮化物與母材基體間可相互擴(kuò)散與完全固溶，實現(xiàn)真正的無縫連接，和單層過渡金屬層相比，可進(jìn)一步緩解異種接頭熱應(yīng)力并提高接頭的強(qiáng)度；此外，本發(fā)明采用復(fù)合活性金屬作為中間層，由于金屬和金屬之間的擴(kuò)散要快于金屬向陶瓷之間的擴(kuò)散，所以，復(fù)合活性金屬中間層間的快速擴(kuò)散，和相同厚度的單層活性金屬相比，增加了界面反應(yīng)的擴(kuò)散能力，使得連接溫度大幅降低500-800°C，提高了效率，節(jié)省了能源。綜上所述，與傳統(tǒng)陶瓷連接方法相比，本發(fā)明解決了陶瓷連接中接頭殘余應(yīng)力大、強(qiáng)度低、耐熱性能不足、連接溫度高等問題，能夠在較低溫度條件下，實現(xiàn)含缺位較少間隙碳化物或氮化物陶瓷的低應(yīng)力、耐高溫、高可靠、高效率的連接；與采用單層活性金屬為中間層活性擴(kuò)散連接方法相比，本發(fā)明在繼承其全部優(yōu)點的同時，實現(xiàn)了含缺位較少的間隙碳化物或氮化物陶瓷的無縫連接，進(jìn)一步充分緩解了接頭殘余應(yīng)力，提高了接頭強(qiáng)度。
[0009]本發(fā)明采用Ti/Zr/Ti復(fù)合活性金屬為中間層來連接ZrC陶瓷時，在相同的連接條件1400°C /lh/20MPa下，接頭組織僅有ZrC和TiC的固溶體(Zr，Ti) Cx，得到了勻質(zhì)固溶接頭，實現(xiàn)了碳缺位含量較少的ZrC陶瓷的無縫活性擴(kuò)散連接，該條件下，接頭剪切強(qiáng)度為240MPa，和母材強(qiáng)度(237MPa)相當(dāng)，斷裂發(fā)生在母材上。和單層活性金屬中間層得到的接頭相比，接頭強(qiáng)度提高了 26% ;與傳統(tǒng)陶瓷連接方法相比，接頭強(qiáng)度提高了近2.5倍。
【附圖說明】
[0010]圖1為實施例一中對比實施例的ZrC接頭的組織形貌；
[0011 ] 圖2為實施例一的ZrC接頭的組織形貌。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:本實施方式一種基于高溫應(yīng)用的實現(xiàn)間隙碳化物或氮化物陶瓷無縫連接的復(fù)合活性中間層擴(kuò)散連接方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0013]—、表面清理:采用500#?1500#中的兩種或其中兩種以上型號的金剛石磨盤對兩個待連接的陶瓷母材進(jìn)行逐級打磨，再用1500#?2000#中的兩種或其中兩種以上型號的水磨砂紙逐級精磨，最后對精磨后的兩個待連接的陶瓷母材進(jìn)行拋光后，置于丙酮中，超聲波清洗15min?30min，然后置于無水乙醇中，超聲清洗1min?15min，最后置于干燥箱內(nèi)烘干，即得到兩個表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材為MCx單相陶瓷、MNx單相陶瓷、MNx/MNx復(fù)相陶瓷、MCx/MCx復(fù)相陶瓷或MNx/MCx復(fù)相陶瓷；
[0014]二、預(yù)置活性金屬層:采用磁控濺射技術(shù)或者電子蒸鍍的方式在步驟一得到的兩個表面清理后的陶瓷母材表面預(yù)置厚度為2?10 μ m的活性金屬層A，得到兩個具有活性金屬層的陶瓷母材，然后在兩個陶瓷母材的活性金屬層上進(jìn)行二次磁控濺射或電子蒸鍍，預(yù)置厚度為5?20 μ m的活性金屬層B，得到兩個具有雙層活性金屬層的陶瓷母材，依次用丙酮和無水乙醇對得到的兩個具有雙層活性金屬層的陶瓷母材清洗鍍層表面5min?lOmin，吹干后得到兩個待連接試樣；其中所述的活性金屬層A和B中的活性金屬均為T1、Zr、Hf、V、Nb或Ta，活性金屬層A和B中的活性金屬為兩種金屬；
[0015]三、真空擴(kuò)散連接:將步驟二得到的兩個待連接試樣的具有活性金屬層的待連接界面疊加起來，置于真空擴(kuò)散爐中，在連接壓力為15MPa?25MPa、真空度為0.8 X 10 3Pa?
1.3X10 4Pa的條件下，以5?10°C /min的速度加熱到700°C，然后保溫10?180min，接著以5?10°C /min的速度升溫至連接溫度1300?1400°C，保溫10?180min時間后，以5 0C /min的速度冷降至800 °C，然后以10°C /min的速度冷卻至100 °C，之后隨爐冷卻至室溫，即完成。
[0016]本實施方式針對間隙碳化物或氮化物陶瓷，特別對于含缺位較少的間隙碳化物或氮化物陶瓷，通過在陶瓷連接界面引入復(fù)合過渡活性金屬中間層與母材反應(yīng)，在陶瓷接頭的高溫使用方面，由于復(fù)合中間層在連接過程中的活性反應(yīng)形成高熔點碳化物或氮化物，無金屬相殘留，因此可實現(xiàn)提高接頭使用溫度的目的；在連接接頭的殘余應(yīng)力方面，通過減少與母材有限固溶的碳化物或氮化物的形成量，增加與母材完全固溶的碳化物或氮化物的形成量，使得新生碳化物或氮化物與母材基體間可相互擴(kuò)散與完全固溶，實現(xiàn)真正的無縫連接，和單層過渡金屬層相比，可進(jìn)一步緩解異種接頭熱應(yīng)力并提高接頭的強(qiáng)