專利名稱：半固態(tài)連接材料及其制備與連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料連接的材料及其制備與連接方法。
陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料以及金屬間化合物等新型材料具有金屬材料不可比擬的高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫等優(yōu)越性能，是航空航天、國防工業(yè)以及交通運(yùn)輸業(yè)的關(guān)鍵材料，但這些材料往往需要通過連接才能形成結(jié)構(gòu)或零部件而加以使用，連接技術(shù)則成為新型結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越特性的關(guān)鍵技術(shù)。
由于這些材料的特殊結(jié)構(gòu)和性能，傳統(tǒng)的用于連接金屬材料的方法已不適用于連接這些材料，近幾年研究較多的活性釬焊、固態(tài)擴(kuò)散連接和過渡液相擴(kuò)散連接方法又有其各自的局限性。釬焊連接雖然可以降低對溫度、壓力和表面狀態(tài)的要求，但釬料熔化后必須對母材表面具有良好的潤濕性，這對陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料以及含有陶瓷增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料來說是相當(dāng)困難的，而且釬縫往往成為接頭中的最薄弱環(huán)節(jié)，如耐高溫性、耐腐蝕性以及強(qiáng)度等均不及被連接的母材。此外，由于釬焊材料與母材的不同，它們的熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)在界面及其鄰近母材中產(chǎn)生較大的釬焊應(yīng)力，使接頭力學(xué)性能降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致接頭的破壞。而固相擴(kuò)散連接對溫度、壓力和被連接面的表面狀態(tài)有著嚴(yán)格的要求，過高的溫度和壓力不僅使連接難以實(shí)現(xiàn)、成本提高，而且容易出現(xiàn)不利的脆性相，影響接頭的質(zhì)量和性能。另外，對纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，加壓過大還可能造成纖維破壞而使基體性能受到嚴(yán)重影響。過渡液相擴(kuò)散連接，雖然過渡液相的形成與利用可以降低連接溫度和壓力以及對表面狀態(tài)的要求，加強(qiáng)界面結(jié)合，但工藝復(fù)雜，中間層材料之間的冶金匹配要求嚴(yán)格，而且需要過長的擴(kuò)散時(shí)間才能形成均勻的高溫相，這對防止脆性相的形成和提高連接效率不利。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種半固態(tài)連接材料及其制備與連接方法，該連接材料成本低，制備與連接簡單易行，可使接頭不均勻性降低，對連接條件要求較低，適用材料范圍較廣。
本發(fā)明提出的一種半固態(tài)連接材料，其特征在于，由鋁基合金液相加鋁的金屬間化合物的固相構(gòu)成，其中固相的體積百分比為5～15％。鋁基合金可采用鋁鎂、鋁錳合金。
本發(fā)明提出的上述半固態(tài)連接材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟在鋁基合金中添加可與鋁形成金屬間化合物的合金元素，合金元素可采用第四和第五主族的鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭等元素，合金元素的添加量為3～5wt％，在10-2乇量級的低真空中或氬氣保護(hù)下進(jìn)行電弧熔煉，去掉表皮后冷軋成片狀，得到鋁基合金加鋁的金屬間化合物的半固態(tài)連接材料。
用本發(fā)明所述的半固態(tài)連接材料進(jìn)行連接的工藝方法為將厚度為0.3～0.5mm的片狀半固態(tài)連接材料，插入被連接材料之間，再置于5×10-5乇以上的真空爐中加壓3～10兆帕，加熱升溫至750～850℃，保溫15～30分鐘后冷卻至室溫形成接頭。
本發(fā)明的原理是在連接溫度下，連接材料處于液相與固相共存的半固態(tài)，靠其中的液相連接被連接材料和固相，而固相則起著調(diào)整接頭、減小接頭不均勻性的作用。
本發(fā)明所述的半固態(tài)連接材料的主體是液相，被連接材料與固相是靠液相連接，用于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料，液相應(yīng)該是含有能與陶瓷反應(yīng)形成過渡層的活性元素的合金。半固態(tài)連接材料中的固相主要起到調(diào)整接頭性能的作用。金屬間化合物可以作為固相提高接頭的強(qiáng)度與耐熱性能。而且液相與金屬間化合物之間的冶金相容性不低于液相與母材的冶金相容性。
本發(fā)明的半固態(tài)連接與完全液相下的釬焊的差別在于此時(shí)液相的流動(dòng)性較低且對陶瓷或金屬間化合物的潤濕性較差。通過在連接過程中加壓可以改善其流動(dòng)性和增加對被連接材料的接觸，另外，通過加壓還可以調(diào)整液固相比例和控制固相的形態(tài)和分布，起到控制接頭性能的目的。除壓力外，連接溫度和保溫時(shí)間以及連接材料的厚度也是影響接頭性能的重要因素。
本發(fā)明可廣泛用于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料以及金屬間化合物等新型材料的連接。
本發(fā)明的效果在連接溫度下本發(fā)明所述的連接材料處于半固態(tài)，通過其中的液相連接被連接材料，使對被連接材料表面狀態(tài)的要求降低，連接溫度降低，而且不需要較高的壓力和很長的擴(kuò)散時(shí)間，使連接成本降低，連接效率提高，接頭的性能較高，充分發(fā)揮釬焊的優(yōu)點(diǎn)。而連接材料中的固相則起著改性接頭的目的，強(qiáng)化連接層金屬提高接頭的力學(xué)性能，使之與被連接材料協(xié)調(diào)過渡，減小接頭的不均勻性。這是一種高效且適應(yīng)性廣的新型材料(包括陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物等)的連接新技術(shù)。
用鋁基合金加金屬間化合物半固態(tài)連接材料在800℃連接的Si3N4陶瓷接頭室溫剪切強(qiáng)度可達(dá)150兆帕左右，600℃還可保持75兆帕左右的剪切強(qiáng)度。而用鋁基合金連接的接頭室溫剪切強(qiáng)度只有60兆帕左右，600℃時(shí)只有4.5兆帕左右的強(qiáng)度(基本上已無強(qiáng)度)。
實(shí)施例1在鋁基合金中加入3wt％的金屬鈦，在10-2乇量級的低真空中進(jìn)行電弧熔煉，去掉表皮后軋制成0.3mm厚的片狀，將此厚度的鋁基合金加金屬間化合物的半固態(tài)連接材料，插入被連接材料之間，再置于5×10-5乇的真空爐中加壓4兆帕，加熱升溫至780℃，保溫20分鐘后冷卻至室溫形成接頭。接頭的室溫剪切強(qiáng)度達(dá)120兆帕左右，接頭600℃剪切強(qiáng)度達(dá)40兆帕左右。
實(shí)施例2在鋁基合金中加入5wt％的金屬釩，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行電弧熔煉，去掉表皮后軋制成0.5mm厚的片狀，將此厚度的鋁基合金加金屬間化合物的半固態(tài)連接材料，插入被連接材料之間，再置于1×10-5乇的真空爐中加壓7兆帕，加熱升溫至850℃，保溫30分鐘后冷卻至室溫形成接頭。接頭的室溫剪切強(qiáng)度達(dá)65兆帕左右，接頭600℃剪切強(qiáng)度達(dá)70兆帕左右。
權(quán)利要求
1.一種半固態(tài)連接材料，其特征在于，由鋁基合金液相加鋁的金屬間化合物的固相構(gòu)成，其中固相的體積百分比為5～15％。
2.如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)連接材料，其特征在于，所說的鋁基合金采用鋁鎂、鋁錳合金之一種。
3.一種制備如權(quán)利要求1所述的述半固態(tài)連接材料的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在鋁基合金中添加可與鋁形成金屬間化合物的合金元素，合金元素的添加量為3～5wt％；(2)在10-2乇量級的低真空中或氬氣保護(hù)下進(jìn)行電弧熔煉，去掉表皮后冷軋成片狀，得到鋁基合金加鋁的金屬間化合物的半固態(tài)連接材料。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所說的合金元素采用第四或第五主族的鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭等元素之一種。
5.一種用權(quán)利要求1所述的半固態(tài)連接材料進(jìn)行連接的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將厚度為0.3～0.5mm的片狀半固態(tài)連接材料，插入被連接材料之間，(2)再置于5×10-5乇以上的真空爐中加壓3～10兆帕，加熱升溫至750～850℃，保溫15～30分鐘后冷卻至室溫形成接頭。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域,其制作方法包括在鋁基合金中添加可與鋁形成金屬間化合物的合金元素,在低真空中或氬氣保護(hù)下進(jìn)行電弧熔煉,去掉表皮后冷軋成片狀,得到鋁基合金加鋁的金屬間化合物的半固態(tài)連接材料。其連接方法包括將片狀半固態(tài)連接材料,插入被連接材料之間,再置于真空爐中加壓,加熱,保溫后冷卻至室溫形成接頭。本連接材料成本低,制備與連接簡單易行,接頭均勻性好,連接條件要求較低,適用材料范圍較廣。
文檔編號C04B37/00GK1272474SQ0010749
公開日2000年11月8日 申請日期2000年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月19日
發(fā)明者吳愛萍, 鄒貴生, 任家烈 申請人:清華大學(xué)