專利名稱：提高陶瓷/金屬釬焊接頭強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高陶瓷/金屬連接接頭強(qiáng)度的方法。
陶瓷與金屬的連接是目前高技術(shù)領(lǐng)域中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在航天航空、原子能、電力、化工、電子、電真空、機(jī)械、軍事等重要領(lǐng)域中均有廣闊的應(yīng)用前景。但由于兩者之間的膨脹系數(shù)相差很大，以及釬料在凝固時(shí)的收縮，焊接后造成結(jié)合界面上很大的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力的危害是非常嚴(yán)重的，往往造接合界面上的強(qiáng)度大大降低，甚至在陶瓷中產(chǎn)生宏觀裂紋和斷裂，并且隨著接合面尺寸的增大，殘余應(yīng)力的累加也隨之增大，這就成為異種材料大面積焊接的難點(diǎn)之一，也是陶瓷與金屬作為結(jié)構(gòu)件連接邁向?qū)嵱没?，工業(yè)化的最大障礙之一。目前國內(nèi)外有關(guān)降低異相界面釬焊殘余應(yīng)力有以下研究方法1.選用膨脹系數(shù)相近的材料進(jìn)行連結(jié)，這受到使用需要的限制。
2.在連接面之間加入一層或數(shù)層膨脹系數(shù)逐漸過渡的金屬薄片，形成梯度型復(fù)合界面，這種方法仍受材料的限制，同時(shí)每加一層中間板需加兩面釬料，工藝復(fù)雜，由此帶來的負(fù)面影響隨之增大。
3.在釬焊面之間加入一層軟性金屬片，通過軟性金屬的塑性變形來緩解殘余應(yīng)力，但這種方法不能滿足對接合面的強(qiáng)度要求和使用溫度的要求，受到很大限制。
4.低溫釬焊。用低溫釬料或低溫工藝進(jìn)行釬焊，這同樣受到使用要求的極大限制。
因此，有效地降低異種材料接合部位的殘余應(yīng)力，提高連接強(qiáng)度具有重大的應(yīng)用價(jià)值和理論價(jià)值。
本發(fā)明的目的在于提出一種提高陶瓷/金屬釬焊接頭強(qiáng)度的方法，能夠降低陶瓷與金屬釬焊界面間的殘余應(yīng)力，提高釬焊界面的結(jié)合強(qiáng)度、熱震抗力、并減小因結(jié)合面尺寸增大而引起的強(qiáng)度降低的現(xiàn)象(尺寸效應(yīng))，具有方法簡單、高效，不影響對連結(jié)件使用性能的要求的特點(diǎn)。
本發(fā)明的特征是在陶瓷與金屬焊接面之間加入一層金屬網(wǎng)和單面釬料。

圖1是陶瓷與金屬之間加金屬網(wǎng)的焊接組裝示意圖，其中1是被焊金屬，2是金屬網(wǎng)，3是釬焊，4是陶瓷。圖2是不加金屬網(wǎng)時(shí)，釬焊界面在陶瓷一側(cè)中殘余應(yīng)力分布及大小的示意圖。其中縱坐標(biāo)代表殘余應(yīng)力值用6表示。橫坐標(biāo)是界面位置。圖3是加金屬網(wǎng)后，界面殘余應(yīng)力在陶瓷一側(cè)中的分布及大小示意圖。其中a、b、c是相鄰兩個(gè)網(wǎng)孔的邊界位置。該圖的縱坐標(biāo)代表殘余應(yīng)力值，用6表示。橫坐標(biāo)代表網(wǎng)孔位置。
(1)金屬網(wǎng)的熔點(diǎn)要高于釬料的熔點(diǎn)。如Mo、W等；(2)網(wǎng)絲直徑為0.1毫米～0.18毫米；(3)釬料應(yīng)放置在近陶瓷一側(cè)，金屬網(wǎng)放置在近金屬一側(cè)。
(4)在組裝好的試樣上施加0.05MPa的壓力，然后放入真空爐中進(jìn)行釬焊，具體要求如下參照圖2，在釬焊金屬與陶瓷時(shí)，如果不加一層金屬網(wǎng)，則整個(gè)焊接面由于釬料在凝固時(shí)的整體收縮則在結(jié)合面的邊緣部位產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。隨著焊接尺寸的增大，在界面邊緣處的殘余應(yīng)力也隨之增大。
參照圖3，當(dāng)在陶瓷與金屬界面之間加入一層金屬網(wǎng)后，金屬網(wǎng)就起到固相骨架的作用，將熔化的釬焊分割成n個(gè)小熔區(qū)。經(jīng)釬焊完成后，釬料在凝固時(shí)，就由不加網(wǎng)的大面積整體收縮變成了許多小熔區(qū)的獨(dú)立凝固收縮，由于相鄰小熔區(qū)凝固收縮方向相反，因而在相鄰的網(wǎng)孔之間產(chǎn)生了反向拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生了收縮應(yīng)力相消的作用。同時(shí)，由于金屬網(wǎng)的加入，實(shí)際的凝固區(qū)被分割、細(xì)化，因此每個(gè)小熔區(qū)邊界的殘余拉應(yīng)力幅值也變小。相鄰網(wǎng)孔間的應(yīng)力經(jīng)疊加后，在整個(gè)釬焊面上就大大降低。
實(shí)施例1研究了釬焊組件Al2O3/Ni-Ti/Nb與Al2O3/Ni-Ti(加金屬M(fèi)o網(wǎng))/Nb的結(jié)合性能。
(1)材料準(zhǔn)備及焊接工藝陶瓷用純度為99％Al2O3粉加1％的MgO在1760℃燒成。Nb的純度為大于99％。釬料為Ni51Ti49(原子比)。焊接前，陶瓷與金屬接合部均經(jīng)過砂紙逐級(jí)拋光。組合方式與圖1相同，釬料經(jīng)反復(fù)軋制并退火，最終磨至約0.3mm的薄片。
將組合好的試樣放入真空爐中進(jìn)行釬焊，真空度為2～3×10-3Pa，焊接溫度為1270℃～1330℃，保溫時(shí)間20min，樣品隨爐冷卻至室溫。
金屬網(wǎng)用Mo絲交叉編織作成，Mo絲直徑為0.1～0.18mm，平均網(wǎng)孔面積約為0.64mm2。
(2)性能試驗(yàn)i 所有樣品作結(jié)合面的剪切性能試驗(yàn)ii熱震試驗(yàn)分別在250℃，400℃，550℃，700℃加熱，均保溫15min，然后淬入20℃的水中。
iii尺寸效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)合面直徑D＝5mm～13mm。
(3)試驗(yàn)結(jié)果i Al2O3/Ni-Ti(加金屬M(fèi)o網(wǎng))/Nb的焊后強(qiáng)度提高了50％以上。
ii 加網(wǎng)的抗震抗力均高于不加網(wǎng)的熱震抗力并隨著熱震溫度的升高，強(qiáng)度差就越大。如700℃抗震抗力提高了180％以上。
iii尺寸效應(yīng)加網(wǎng)后，隨著釬焊面尺寸的增大，強(qiáng)度的降低變的很小，而不加網(wǎng)者，隨著釬焊面尺寸的增大強(qiáng)度急速下降。如焊接面直徑D＝13mm時(shí)，加網(wǎng)的焊接強(qiáng)度提高了100％以上。
實(shí)施例2研究了釬焊組件Al2O3/Cu-Ni-Ti(加金屬M(fèi)o網(wǎng))/Nb與Al2O3/Cu-Ni-Ti/Nb的結(jié)合性能。
(1)材料準(zhǔn)備與工藝Cu-Ni-Ti的成份Cu52.6wt％，Ni22.5wt％，Ti24.9wt％將熔煉好的Cu-Ni-Ti釬焊錠材用線切割方法切成0.4mm的薄片，然后磨至0.3mm(或用Cu-Ni-Ti粉涂于陶瓷焊接表面)，在組裝好的試樣上施加0.05MPa的外壓，然后放入真空爐中進(jìn)行釬焊，真空度為2～3×10-3pa，焊接溫度為1200℃，保溫時(shí)間20min，焊好后樣品隨爐冷卻至室溫。金屬M(fèi)o網(wǎng)應(yīng)放置在近金屬一側(cè)，釬焊放置在近陶瓷一側(cè)，Mo絲直徑為0.12mm，網(wǎng)孔平均面積為0.64mm2。
(2)性能試驗(yàn)i 將焊好的試樣裝入剪切模具之中，作結(jié)合面的剪切強(qiáng)度，對比焊后剪切強(qiáng)度。
ii 抗震抗力分別在250℃，400℃，550℃，700℃加熱，保溫15min，然后淬入20℃的水中，然后作剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。
iii尺寸效應(yīng)試驗(yàn)分別作結(jié)合面直徑D＝3mm～12mm不同試樣的剪切性能。
(3)試驗(yàn)結(jié)果i Al2O3/Cu-Ni-Ti(加金屬M(fèi)o網(wǎng))/Nb的焊后強(qiáng)度提高了60％。
ii 抗震抗力(400℃～700℃，淬水)，提高了50～130％。
iii當(dāng)結(jié)合面尺寸D＝7mm時(shí)，接頭強(qiáng)度提高了100％以上。
權(quán)利要求
1.提高陶瓷/金屬釬焊接頭強(qiáng)度的方法，其特征在于，在陶瓷與金屬焊接之間加入一層高熔點(diǎn)金屬網(wǎng)和單面釬料，然后將其放入真空爐中進(jìn)行焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說的金屬網(wǎng)放置在近金屬一側(cè)，金屬網(wǎng)的另一側(cè)放置釬料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的方法，其特征在于，所說的金屬網(wǎng)的熔點(diǎn)要高于釬料，其網(wǎng)絲直徑為0.1毫米～0.18毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的方法，其特征在于，所說的加入金屬網(wǎng)的陶瓷/金屬組件在放入真空爐時(shí)可以施加0.05MPa左右的壓力。
全文摘要
一種提高陶瓷/金屬釬焊界面焊后強(qiáng)度、抗震抗力的方法。在陶瓷與金屬的焊接界面之間加入一層金屬M(fèi)o網(wǎng),通過對釬料的網(wǎng)狀分割作用,使得釬料在結(jié)合界面上的大尺寸凝固收縮,變成了許多小熔區(qū)的獨(dú)立凝固收縮,在相鄰小網(wǎng)孔之間產(chǎn)生了反向應(yīng)力互消的作用,從而使得整個(gè)結(jié)合面上的殘余應(yīng)力大幅度降低,通過對兩種不同的釬料的實(shí)驗(yàn),加金屬M(fèi)o網(wǎng)后,其焊后強(qiáng)度均提高了50%以上,經(jīng)700℃抗震處理(淬水),剩余強(qiáng)度也分別提高180%和130%。
文檔編號(hào)B23K31/12GK1173416SQ97108649
公開日1998年2月18日 申請日期1997年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月10日
發(fā)明者朱定一, 金志浩, 王永蘭, 高積強(qiáng) 申請人:西安交通大學(xué)