[发明专利]一种ZrO2陶瓷与不锈钢或Al2O3陶瓷无压钎焊的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷与不锈钢或陶瓷钎焊的方法，特别涉及一种ZrO₂陶瓷与不锈钢或Al₂O₃陶瓷无压钎焊连接的方法。

背景技术

关于陶瓷与不锈钢或陶瓷之间的连接，主要有连接件结构可靠性，如强度和耐高温能力、制造成本等方面的考虑。目前对于陶瓷与不锈钢或陶瓷之间的连接技术，主要有烧结不锈钢粉末法(如Mo-Mn法)，活性不锈钢钎焊和扩散焊等方法。烧结不锈钢粉末法，特别是Mo-Mn法，工艺比较成熟，目前该方法主要用于Al₂O₃陶瓷。由于ZrO₂陶瓷体内几乎不存在玻璃相，采用成熟的烧结不锈钢粉末法工艺制备的氧化锆陶瓷/不锈钢或陶瓷件结合强度太低，可靠性差。扩散焊虽然对多种陶瓷(如SiC、Si₃N₄等非氧化陶瓷)能进行成功连接，但该工艺对设备要求高，难于规模化生产，不利于经济产业化。所以对于氧化锆陶瓷与不锈钢或陶瓷的连接主要采用活性不锈钢钎焊的方法。

关于氧化锆陶瓷的活性不锈钢钎焊，目前应用和研究主要采用含活性元素Ti的Ag-Cu-Ti和Cu-Ga-Ti等成分作为填料金属。据报道，目前Ti的添加方式主要包括焊前熔炼和焊后熔合两种方式。由于氧化锆陶瓷本身特性，在无压装配情况下，一般合金钎料对其的浸湿性有限，因此通常情况下，需要加压钎焊。而对于焊后熔合方式，Ti膜、TiH粉末、Ti箔、Ti粉以及TiH₂粉末^[1]等被采用。但他们或采用了对设备要求较高的真空镀膜工艺，或采用了夹具固定，或附加了钎焊压力，且具体钎焊加热过程不详细，难于(经济)实现。而采用Ti粉，则会面临Ti粉(如磨细过程中)被氧化的问题。

值得指出的是，与本发明直接相关的参考文献^[1]，同样采用TiH₂活性钎焊工艺对氧化锆陶瓷进行了连接，但其对钎焊真空度要求较高(真空度≤5×10^-3Pa)，且只采用片状Ag-Cu28钎料对Cu的平面钎焊，钎焊加热过程没有格外设置使TiH₂充分分解的保温阶段，若采用环型焊丝钎焊难于实现。该文献没有考察氧化锆陶瓷与不锈钢的焊接。不锈钢耐高温性能、强度、耐腐蚀性能均比铜好，氧化锆/不锈钢的连接应用面更宽。但是，由于不锈钢弹性模量大、塑性差，焊接应力不易消除，氧化锆与不锈钢的连接十分困难。

参考文献：[1]高陇桥，陶瓷-不锈钢材料实用封接技术[M].北京：化学工业出收社，2005：168-172。

发明内容

本发明基于氧化锆陶瓷与不锈钢或氧化铝陶瓷之间的连接在结构可靠性、制造成本等方面的考虑，提供了一种ZrO₂陶瓷与不锈钢或Al₂O₃陶瓷无压钎焊的方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种ZrO₂陶瓷与不锈钢无压钎焊的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)TiH₂膏剂的制备；将市售的TiH₂粉末，滚混球磨，经粒度分布测试粉末的中位粒径为2.785μm后，在磨细的TiH₂粉末中加入草酸乙二酯和胶棉溶液，搅拌30min以上制成TiH₂膏剂待用；

(2)TiH₂膏剂的涂敷：先将氧化锆陶瓷零件进行清洗，烘干后在氧化锆陶瓷钎焊表面涂敷步骤(1)所制备的TiH₂膏，形成TiH₂涂层，并晾干；

(3)不锈钢钎焊表面的处理；将不锈钢零件清洗后，再置于瓦特溶液中对钎焊表面镀镍，形成4～12μm的镍层；

(4)装配及真空钎焊：在氧化锆陶瓷TiH₂涂层和不锈钢零件镀镍层之间放置片形环形72Ag-28Cu钎料，置于真空炉内，在真空度≤8×10^-3Pa条件下，加热至400～500℃，保温至少30min，再加热至750℃，保温5～10分钟，然后以≤5℃/min升温速率继续加热至820～860℃，保温10～50min，最后以≤5℃/min的降温速率冷却至室温，取出。

上述方案中，TiH₂膏剂的配比为：TiH₂粉末∶草酸乙二酯∶胶棉溶液＝10g∶4～6ml∶6～8ml。