一種復(fù)合中間層及其釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合中間層及其釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐燒蝕及熱疲勞性好等優(yōu)異的高溫性能，是航空航天領(lǐng)域重要的高溫結(jié)構(gòu)材料，由于陶瓷材料的本征脆性以及制備技術(shù)的限制，難以獲得大尺寸、形狀復(fù)雜的陶瓷構(gòu)件，因此，實(shí)現(xiàn)其與金屬材料的可靠連接是其獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。GH99、TC4、Invar合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，實(shí)際應(yīng)用中往往需要實(shí)現(xiàn)陶瓷及陶瓷復(fù)合材料與上述合金的連接。
[0003]目前大量研究表明，通常采用活性釬料直接釬焊合金與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料，但釬料中某些組元與母材過(guò)度反應(yīng)，往往會(huì)生成大量的有害相，比如申請(qǐng)?zhí)?01210207752的中國(guó)專利采用N1-Cr-Nb釬料直接釬焊ZSC與GH99時(shí)，ZSC與N1-Cr-Nb釬料反應(yīng)劇烈，界面生成大量的N1-Si脆性相，降低接頭強(qiáng)度；同時(shí)金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料線脹系數(shù)的不匹配也會(huì)對(duì)接頭性能造成不利影響。本發(fā)明采用復(fù)合中間層，控制界面反應(yīng)，抑制脆性化合物的大量生成；同時(shí)Nb箔具有良好的塑韌性，可以緩解接頭的殘余應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決采用活性釬料直接釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，接頭界面反應(yīng)劇烈生成大量脆性相及焊后接頭殘余應(yīng)力大，造成接頭性能差的難題。
[0005]因此，本發(fā)明針對(duì)采用活性釬料直接釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料時(shí)接頭界面反應(yīng)劇烈及焊后殘余應(yīng)力對(duì)接頭性能的不利影響，提供一種復(fù)合中間層及其釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法。
[0006]本發(fā)明的一種復(fù)合中間層，復(fù)合中間層由上層釬料、軟性中間層和下層釬料構(gòu)成；其中上層釬料為N1-Cr-Nb釬料；軟性中間層為Nb箔；下層釬料為BN1-5釬料箔。
[0007]本發(fā)明的一種利用復(fù)合中間層釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法，是按以下步驟進(jìn)行:
[0008]一、配制釬料:按重量份數(shù)將53?56份的Ni粉、31?34份的Cr粉和12?15份的Nb粉置于球墨罐中，按照球料質(zhì)量比為10?20:1比例放入磨球，以200?300r/min的速度球磨I?5h，采用壓片機(jī)壓制成片后，即得上層釬料；
[0009]二、清洗:將待焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、軟性中間層和下層釬料置于丙酮中超聲清洗1min?20min,除去待焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、軟性中間層和下層釬料表面的油污和雜質(zhì)；
[0010]三、裝配:在待焊金屬的預(yù)焊接表面依次放置下層釬料、軟性中間層、上層釬料及待焊陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料，并在待焊陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料表面上施加0.001?0.1MPa的壓力固定，完成裝配；
[0011]四、焊接:將步驟三得到的裝配結(jié)構(gòu)置于真空釬焊爐中，以5°C /min?50°C /min的速度升溫至1180?1250°C后，在真空度為5.0XKT3Pa的條件下保溫5min?60min，然后以2V /min?30°C /min的速度降溫至300°C，之后隨爐冷卻至室溫，完成金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的釬焊。
[0012]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0013]本發(fā)明選用N1-Cr-Nb釬料作為上層釬料，利用N1-Cr-Nb三元共晶形成液相，而非利用S1、B等元素降低釬料熔點(diǎn)而形成液相，降低了釬料中非金屬元素的含量，可以減少有害脆性相的形成。Nb、Cr元素的活性較高，可以與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料反應(yīng)形成富Nb、富Cr層，實(shí)現(xiàn)與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的良好連接。
[0014]Nb箔的存在有利于N1-Cr-Nb共晶液相的形成，增加液相中Nb元素的含量，有利于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料側(cè)富Nb層的形成，富Nb層可以抑制Ni與陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料中非金屬元素的有害反應(yīng)。同時(shí)Nb箔中間層具有良好的塑韌性，可以緩解接頭的殘余應(yīng)力，提聞接頭的強(qiáng)度。
[0015]為保證焊后接頭在600-1000°C下具有良好的高溫使用性能及與合金具有良好的釬焊性，故設(shè)計(jì)BN1-5釬料作為下層釬料。
[0016]本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，焊前不需要對(duì)待焊試樣表面進(jìn)行任何改性處理，焊接周期短，同時(shí)可進(jìn)行多件產(chǎn)品的焊接，利于批量生產(chǎn)。
[0017]本發(fā)明的復(fù)合中間層適用于釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例一中釬焊試樣裝配圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0020]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種復(fù)合中間層，復(fù)合中間層由上層釬料、軟性中間層和下層釬料構(gòu)成；其中上層釬料為N1-Cr-Nb釬料；軟性中間層為Nb箔；下層釬料為BN1-5釬料箔。
[0021]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料按重量份數(shù)是由53?56份的Ni粉、31?34份的Cr粉和12?15份的Nb粉組成。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0022]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料按重量份數(shù)是由54?56份的Ni粉、31?33份的Cr粉和12?14份的Nb粉組成。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0023]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料按重量份數(shù)是由55?56份的Ni粉、31?32份的Cr粉和12?13份的Nb粉組成。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料制備方法為:將Ni粉、Cr粉、Nb粉置于球墨罐中，按照球料質(zhì)量比為10?20:1比例放入磨球，以200?300r/min的速度球磨I?5h，采用壓片機(jī)壓制成片，即得到上層釬料。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料制備方法為:將Ni粉、Cr粉、Nb粉置于球墨罐中，按照球料質(zhì)量比為15?20:1比例放入磨球，以200?300r/min的速度球磨I?4h，采用壓片機(jī)壓制成片，即得到上層釬料。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:在上層釬料制備方法中，Ni粉用量為55?56重量份，Cr粉用量為31?32重量份，Nb粉用量為12?13重量份。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料所用Ni的純度為99.0%?99.9%,Cr的純度為99.0%?99.9%,Nb的純度為99.0%?99.9%。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:上層釬料厚度為50?200 μ m,軟性中間層厚度為50?200 μ m,下層釬料的厚度為50?200 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)在于:所述的Nb箔的質(zhì)量純度>98%。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】十一:本實(shí)施方式的一種利用復(fù)合中間層釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法，其特征在于它是按以下步驟進(jìn)行:
[0031]一、配制釬料:按重量份數(shù)將53?56份的Ni粉、31?34份的Cr粉和12?15份的Nb粉置于球墨罐中，按照球料質(zhì)量比為10?20:1比例放入磨球，以200?300r/min的速度球磨I?5h，采用壓片機(jī)壓制成片后，即得上層釬料；
[0032]二、清洗:將待焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、軟性中間層和下層釬料置于丙酮中超聲清洗1min?20min,除去待焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、軟性中間層和下層釬料表面的油污和雜質(zhì)；
[0033]三、裝配:在待焊金屬的預(yù)焊接表面依次放置下層釬料、軟性中間層、上層釬料及待焊陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料，并在待焊陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料表面上施加0.001?0.1MPa的壓力固定，完成裝配；
[0034]四、焊接:將步驟三得到的裝配結(jié)構(gòu)置于真空釬焊爐中，以5°C /min?50°C /min的速度升溫至1180?1250°C后，在真空度為5.0XKT3Pa的條件下保溫5min?60min，然后以2V /min?30°C /min的速度降溫至300°C，之后隨爐冷卻至室溫，完成金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的釬焊。
[0035]【具體實(shí)施方式】十二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】i^一不同點(diǎn)在于:步驟二中所述的待焊金屬為GH99、TC4或Invar合金。其它與【具體實(shí)施方式】i^一相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】十三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】i^一不同點(diǎn)在于:步驟二中所述的待焊陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料為SiC陶瓷、Si3N4陶瓷、ZrO 2陶瓷或C/SiC復(fù)合材料。其它與【具體實(shí)施方式】i 相同。
[0037]【具體實(shí)施方式】十四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】i^一不同點(diǎn)在于:步驟一中按重量份數(shù)將54?56份的Ni粉、32?34份的Cr粉和13?15份的Nb粉置于球墨罐中。其它與【具體實(shí)施方式】i 相同。
[0038]【具體實(shí)施方式】十五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】^ 不同點(diǎn)在于:步驟一中按重量份數(shù)將54?56份的Ni粉、32?34份的Cr粉和13?15份的Nb粉置于球墨罐中。其它與【具體實(shí)施方式】i 相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】十六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】i^一不同點(diǎn)在于:步驟一中按重量份數(shù)將55?56份的Ni粉、32?33份的Cr粉和13?14份的Nb粉置于球墨罐中。其它與【具體實(shí)施方式】i^一相同。
[0040]采用下述實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0041]實(shí)施例一:本實(shí)施例利用一種復(fù)合中間層釬焊金屬與陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的方法按以下步驟進(jìn)行:
[0042]—、配制釬料:按照一定比例配制N1-Cr-Nb釬料。稱取5.4g的Ni粉,3.25g的Cr粉和1.35g的Nb粉，并將Ni粉、Cr粉、Nb粉置于球墨罐中，按照球料質(zhì)量比為10:1比例放入磨球，以200r/min的速度球磨2h，所得混合后粉末釬料采用壓片機(jī)壓制成片，厚度為100 μ m ；
[0043]二、清洗:將待焊GH99與C/SiC復(fù)合材料、Nb箔和BNi_5釬料箔在丙酮中超聲清洗lOmin，除去表面的油污和雜質(zhì)；
[0044]三、裝配:在GH99的預(yù)焊接表面依次放置BNi_5釬料箔、Nb箔、N1-Cr-Nb釬料小片，在N1-Cr-Nb釬料小片上放置C/SiC復(fù)合材料，并在C/SiC復(fù)合材料表面上施加0.001?0.1MPa的壓力固定，得到待焊件；
[0045]四、焊接:將步驟三得到的待焊件置于真空釬焊爐中，以15°C /min的速度