一種納米箔帶連接碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與金屬的工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用T1-Al納米箔帶擴(kuò)散連接碳化硅陶瓷復(fù)合材料與金屬的工藝，屬于焊接制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料是很有應(yīng)用前途的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，近年來(lái)尤其以碳化硅陶瓷(SiC)，碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Cf/SiC)，和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiCf/SiC)，以及硅/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Si/SiC)是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料中比較典型的代表。
[0003]但由于陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的加工性能較差、耐熱沖擊能力弱，以及制造尺寸大而且形狀復(fù)雜的零件較為困難等缺點(diǎn)，通常需要與金屬材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)用，并且組合連接接頭必須滿足耐高溫的使用要求。
[0004]應(yīng)當(dāng)說(shuō)，陶瓷材料屬于難焊接材料，國(guó)內(nèi)外在陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料的連接中，普遍使用傳統(tǒng)的Ag-Cu-T1、Cu_Ti系活性釬料進(jìn)行釬焊連接，但相應(yīng)的接頭耐熱溫度很難超過(guò)500°C。陶瓷連接技術(shù)公開報(bào)道的還有使用Ni基釬料合金釬焊陶瓷基復(fù)合材料的研究結(jié)果，但自身接頭室溫彎曲強(qiáng)度只有58MPa左右，遠(yuǎn)低于被焊母材。
[0005]近年來(lái)也有采用在含有碳的坯體中熔滲入硅的反應(yīng)方法進(jìn)行碳化硅陶瓷的連接報(bào)道，但是連接溫度高達(dá)1400°C以上，無(wú)法適用于SiC陶瓷與金屬的連接。而且，對(duì)于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，比如Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，或者Si/SiC陶瓷基復(fù)合材料，因?yàn)閺?fù)合材料的組分更加復(fù)雜，它們的連接技術(shù)比起SiC陶瓷更為復(fù)雜。
[0006]目前針對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接，尚缺乏適用的高溫連接焊料和合適的耐高溫連接工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)上述技術(shù)需求和現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可用于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與金屬連接的高活性擴(kuò)散連接新方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，一種納米箔帶連接碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與金屬的工藝，該工藝包括以下步驟:首先，制備納米級(jí)厚度的Ti和Al金屬層交替疊加的箔帶;其次，以所述納米箔帶作為焊料，將其置于被焊接的SiC陶瓷基復(fù)合材料與被焊金屬之間，采用真空擴(kuò)散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結(jié)方法，溫度為1000°C?1200°C，壓力為1MPa?30MPa，實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接。
[0009]所述納米箔帶中每個(gè)金屬層的厚度為15nm?100]1111，總厚度為3(^1]1?10(^111。
[0010]所述的熱壓燒結(jié)為熱壓放電等離子燒結(jié)，反應(yīng)時(shí)間為3?10分鐘。
[0011]所述的SiC陶瓷基復(fù)合材料包括SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料、SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料或者Si/SiC陶瓷基復(fù)合材料。
[0012]所述金屬包括Nb合金、Mo合金、T iAl金屬間化合物或T1-Al-Nb系合金。
[0013]所述Mo合金為TZM合金。
[0014]真空擴(kuò)散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結(jié)反應(yīng)時(shí)間為3?60分鐘。
[0015]對(duì)于碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與TiAl金屬間化合物、T1-Al-Nb系合金的連接，在碳化硅陶瓷基復(fù)合材料與金屬之間插入Nb合金或者M(jìn)o合金作為中間過(guò)渡層，然后在這個(gè)中間過(guò)渡層的兩側(cè)都置入Ti/Al納米箔帶，進(jìn)行連接。
[0016]該工藝還可以用于C/C復(fù)合材料與金屬之間的連接。
[0017]本發(fā)明可以為SiC陶瓷、SiC陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接提供耐高溫連接方法。相對(duì)于其他連接方法，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0018]1.使用的焊料由納米級(jí)厚度的Ti/Al雙金屬層交替變化的箔帶組成，它具有極高的活性，比如在室溫下點(diǎn)燃總厚度30μπι?ΙΟΟμπι的Ti/Al納米箔帶，它在大氣條件下的燃燒速度達(dá)到lOm/s，因此高活性導(dǎo)致可以在1000°C?1200°C的溫度下實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基復(fù)合材料與金屬的牢固連接，接頭室溫彎曲強(qiáng)度可達(dá)到ISOMPa?300MPa，而且這種焊接溫度不會(huì)明顯影響被焊金屬自身的組織和性能；
[0019]2.由于納米級(jí)厚度Ti/Al雙金屬層交替變化的箔帶的極高活性，因此通過(guò)加熱條件下的活化擴(kuò)散反應(yīng)，在靠近被焊陶瓷的界面生成TiC，T1-S1-C，T1-Al-C等二元和三元高熔點(diǎn)化合物，在靠近被焊金屬的界面生成TiAl為主的反應(yīng)產(chǎn)物，因此陶瓷-金屬連接接頭具有好的耐高溫性能，具體講，接頭室溫強(qiáng)度的80%以上可以穩(wěn)定至1000°C的高溫。而采用傳統(tǒng)的活性釬料和釬焊工藝進(jìn)行陶瓷-金屬連接，需要的連接溫度往往達(dá)到1100°C?1200°C甚至更高，但接頭強(qiáng)度不足，并且接頭的耐熱性很難超過(guò)800°C;
[0020]3.本發(fā)明中的技術(shù)方案，不僅適合上述4類SiC陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接，也適合于C/C復(fù)合材料與金屬的連接，此時(shí)在靠近被焊的C/C復(fù)合材料的界面生成TiC，T1-Al-C的二元和三元高恪點(diǎn)化合物。
【具體實(shí)施方式】
[0021]采用電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)等方法制備納米級(jí)厚度雙金屬層Ti/Al交替變化的箔帶，其中單層金屬的厚度控制為15nm?lOOnm，納米雙金屬箔帶的總厚度控制為30μπι?ΙΟΟμπι，并使用這種納米箔帶作為焊料，置于被焊的SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基復(fù)合材料，或者C/C復(fù)合材料與被焊的金屬之間，采用真空擴(kuò)散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結(jié)或者熱壓放電等離子燒結(jié)方法，通過(guò)1000°C?1200°C高溫下納米箔帶中Ti/Al雙元素之間的高活性以及它們與被焊的陶瓷復(fù)合材料、被焊的金屬材料之間的活化擴(kuò)散反應(yīng)實(shí)現(xiàn)連接。反應(yīng)連接過(guò)程中施加壓力1MPa?30MPa。
[0022]對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料與Nb合金或者M(jìn)o合金的連接，被焊的材料之間直接置入Ti/Al納米箔帶即可，而對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料與TiAl金屬間化合物，或者T1-Al-Nb系合金的連接，則需要在被焊的陶瓷復(fù)合材料與被焊金屬之間插入Nb合金或者M(jìn)o合金作為中間過(guò)渡層，并且在這個(gè)中間過(guò)渡層的兩側(cè)都需要置入Ti/Al納米箔帶。
[0023]采用真空擴(kuò)散焊或者真空-氬氣條件下的普通熱壓燒結(jié)方法，高溫反應(yīng)