專利名稱：Si₃N₄陶瓷與鈦合金的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種材料的連接，具是一種Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等獨(dú)特性能，但其脆性大、強(qiáng)度分散和加工困難等缺點(diǎn)，限制了它作為整體機(jī)構(gòu)在工程中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷與金屬的連接，對(duì)擴(kuò)展陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
陶瓷與金屬的連接主要是活性釬焊和擴(kuò)散焊，此外還有部分瞬間液相連接和二次PTLP等新方法。由于陶瓷和金屬的物理化學(xué)性能存在較大差異，特別是兩種材料間的熱膨脹系數(shù)差別較大，接頭在冷卻過(guò)程中由于收縮不均勻造成較大的殘余應(yīng)力，使連接強(qiáng)度大大降低。嚴(yán)重者自行開(kāi)裂，甚至成為結(jié)構(gòu)損壞的直接或間接原因，由于金相組織的變化以及新生成的物相結(jié)構(gòu)或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，接頭力學(xué)性能較差，特別是塑性和韌性明顯下降。因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬之間的可靠連接是Si3N4陶瓷得以廣泛工業(yè)應(yīng)用的重要前提和保證?；钚遭F料的研究與開(kāi)發(fā)是發(fā)展陶瓷與金屬/金屬間化合物釬焊的一項(xiàng)重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)熊柏青、楚建新等研究表明添加中間層可有效控制殘余熱應(yīng)力對(duì)Si3N4/金屬釬焊接頭性能的影響；翟陽(yáng)、任家烈等使用非晶態(tài)合金作中間層擴(kuò)散連接Si3N4與40Cr鋼，但連接強(qiáng)度不高；何鵬、馮吉才等研究了 Si3N4陶瓷與不銹鋼材料擴(kuò)散連接接頭的殘余應(yīng)力的分布特征及中間層的作用，但接頭強(qiáng)度較低。以上對(duì)Si3N4與金屬的連接能有效減低接頭殘余應(yīng)力，但均存在接頭強(qiáng)度低而無(wú)法滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能緩解陶瓷與鈦合金接頭殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度的Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法。本發(fā)明Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法是使用工業(yè)級(jí)釬料、純金屬中間層，在真空中連接；所述的工業(yè)級(jí)釬料為非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料，厚度為30-45 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；所述的純金屬中間層為Ni箔，厚度為100-250 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本發(fā)明的方法包括以下步驟a.準(zhǔn)備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和鈦合金試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔用金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進(jìn)行超聲波清洗；b.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和鈦合金按S i 3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、鈦合金的順序緊貼安裝在夾具中；同時(shí)在結(jié)合面施加O. 04-0. IMPa的壓力；C.連接階段將裝配好的夾具置于真空爐中進(jìn)行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以ΙΟΚ/min的速率升溫至1323-1373K，保溫30min ;然后以6K/min的速率冷至873K ；自然冷卻至室溫時(shí)開(kāi)爐門(mén)取樣。步驟C中真空度小于10_3Pa。所述鈦合金為T(mén)A15工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)由于非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性能好，可以用來(lái)釬焊連接陶瓷與Ni箔；而附箔在同樣的連接溫度下可以與與鈦合金實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接，通過(guò)半釬焊和半擴(kuò)散焊連接實(shí)現(xiàn)溫度可靠的陶瓷與鈦合金接頭。(2)本發(fā)明獲得的陶瓷與鈦合金接頭同時(shí)采用了釬焊與擴(kuò)散焊的方法，綜合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。(3)由于本發(fā)明中采用的中間層材料中Ni箔沒(méi)有完全熔化，起到了梯度作用，緩解了接頭中存在的內(nèi)應(yīng)力，接頭不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，連接強(qiáng)度高；(4)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、獲得的Si3N4陶瓷與鈦合金接頭性能穩(wěn)定可重復(fù)再現(xiàn)；
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I :選用工業(yè)級(jí)釬料非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料，厚度為30 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；純金屬中間層選用Ni箔的純度為99. 8%以上，厚度為IOOym的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。連接步驟如下I.準(zhǔn)備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和鈦合金試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔用5號(hào)金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進(jìn)行超聲波清洗10分鐘；2.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和鈦合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、鈦合金的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時(shí)在待連接件上放置一小砝碼以產(chǎn)生O. 06MPa的壓力；3.連接階段將裝配好的專用夾具置于真空爐中進(jìn)行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以ΙΟΚ/min的速率升溫至1333K，保溫30min ;然后以6K/min的速率冷至873K ;真空度小于10_3Pa ；自然冷卻至室溫時(shí)開(kāi)爐門(mén)取樣。上述所述鈦合金為T(mén)A15工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本實(shí)施例獲得的Si3N4與鈦合金的接頭未出現(xiàn)由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象，接 頭室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為295MPa。實(shí)施例2 選用工業(yè)級(jí)釬料非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料，厚度為45 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；純金屬中間層選用Ni箔的純度為99. 8%以上，厚度為250 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。連接步驟如下I.準(zhǔn)備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和鈦合金試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔用5號(hào)金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進(jìn)行超聲波清洗10分鐘；2.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和鈦合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、鈦合金的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時(shí)在待連接件上放置一小砝碼以產(chǎn)生O. IMPa的壓力；3.連接階段將裝配好的專用夾具置于真空爐中進(jìn)行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以ΙΟΚ/min的速率升溫至1323K，保溫30min ;然后以6K/min的速率冷至873K ;真空度小于10_3Pa ；自然冷卻至室溫時(shí)開(kāi)爐門(mén)取樣。上述所述鈦合金為T(mén)A15工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本實(shí)施例獲得的Si3N4與鈦合金的接頭未出現(xiàn)由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象，接頭室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為305MPa。 實(shí)施例3 選用工業(yè)級(jí)釬料非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料，厚度為45 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；純金屬中間層選用Ni箔的純度為99. 8%以上，厚度為180 μ m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。連接步驟如下I.準(zhǔn)備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和鈦合金試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔用5號(hào)金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進(jìn)行超聲波清洗10分鐘；2.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和鈦合金按S i 3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、鈦合金的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時(shí)在待連接件上放置一小砝碼以產(chǎn)生O. 04MPa的壓力；3.連接階段將裝配好的專用夾具置于真空爐中進(jìn)行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以ΙΟΚ/min的速率升溫至1373K，保溫30min ;然后以6K/min的速率冷至873K ;真空度小于10_3Pa ；自然冷卻至室溫時(shí)開(kāi)爐門(mén)取樣。上述所述鈦合金為T(mén)A15工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本實(shí)施例獲得的Si3N4與鈦合金的接頭未出現(xiàn)由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象，接頭室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為275MPa。
權(quán)利要求
1.一種Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法，其特征是使用工業(yè)級(jí)釬料、純金屬中間層，在真空中連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法，其特征是所述的工業(yè)級(jí)釬料為非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料，厚度為30-45 u m的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；所述的純金屬中間層為Ni箔，厚度為100-250 iim的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法，其特征是該方法包括以下步驟 a.準(zhǔn)備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和鈦合金試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔用金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進(jìn)行超聲波清洗； b.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和鈦合金按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、鈦合金的順序緊貼安裝在夾具中；同時(shí)在結(jié)合面施加0. 04-0. IMPa的壓力； c.連接階段將裝配好的夾具置于真空爐中進(jìn)行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以10K/min的速率升溫至1323-1373K，保溫30min ;然后以6K/min的速率冷至873K ；自然冷卻至室溫時(shí)開(kāi)爐門(mén)取樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法，其特征是步驟c中真空度小于10_3Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法，其特征是所述鈦合金為T(mén)A15工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種材料的連接，具是一種Si3N4陶瓷與鈦合金的連接方法。本發(fā)明的方法是使用工業(yè)級(jí)釬料、純金屬中間層，在真空中連接；所述的工業(yè)級(jí)釬料為非晶Ti40Zr25Cu20Ni15釬料，厚度為30-45μm的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；所述的純金屬中間層為Ni箔，厚度為100-250μm的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。本發(fā)明能緩解陶瓷與鈦合金接頭殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C04B37/02GK102633518SQ201210119540
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者嚴(yán)鏗, 馮俊, 劉歡, 許祥平, 鄒家生, 高飛 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)