[发明专利]一种采用粉末制备扩散偶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉体层状复合材料的制作方法，具体涉及用不同粉体材料之间的原子、离子扩散过程及界面结合的采用粉末制备扩散偶的方法。

背景技术

目前，扩散偶既是异种材料连接技术，又是一种实验方法。常常被广泛用于对金属原子的扩散情况、材料扩散连接技术研究、金属间界面的扩散情况、相平衡研究以及固/固相反应过程试验理论研究。其中，扩散焊接作为一种精密的焊接方法，已经广泛地应用于同种或异种金属材料的连接和扩散机制研究。

近年来，随着陶瓷材料的发展，人们也逐渐将扩散偶技术应用于陶瓷的研究和生产。陶瓷材料与金属材料相比，晶体结构复杂、表面能高，因此，其强度、硬度、弹性模量、耐磨性和耐热性较金属优越，但韧性、热导率、导电性较金属差等缺点。使得扩散偶的制作难度比金属材料大，从而制约了该技术的应用。尤其在高温下，常常很难找到合适方式提供界面结合力以确保扩散偶界面的紧密结合，并保证扩散组元能够顺利地通过界面进行扩散，这就给一些非金属材料的扩散过程研究和复合材料层状制备造成了很大困难。目前，制备陶瓷扩散偶的方法是先将用于扩散偶制作的两种陶瓷粉末分别压制烧结成块体并磨平后贴合，利用加压装置来保证界面良好结合形成扩散偶，然后再次进行高温加热以研究其扩散过程或制备复合材料。这种方法工艺复杂、成本较高。而采用粉末直接制备扩散偶的技术还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用粉末制备扩散偶的方法，该法保持了粉末的原始状态，简化了扩散偶的制作步骤，有制备工艺简单、成本低的优点。

本发明的制备方法有以下步骤：

(1)在不与接触的粉末发生相互扩散或化学反应的金属套管中填充一种粉末材料，压制机压制成坯块；

(2)用比金属套管内径小4～6mm的模具在上述坯块上冲孔；

(3)在上述孔中填充入另一种粉体材料后，用压力机压制成环形层状结构，在一定温度下烧结后空冷，即得扩散偶。

在选择粉末材料时，应当使粉末材料A在烧结时的收缩大于粉末材料B，因此，烧结时粉末材料A收缩产生的压力能够提供较大的界面结合力。同时，粉体材料在未烧结的情况下，在其压力的作用下的压制，增大了粉末材料间的接触面积，提高了烧结质量。

粉末材料A在烧结过程中的收缩系数a比粉末材料B在烧结过程中的收缩系数b大10～30％，二者的关系可以表示为：

a＝b×(1+(0.1～0.3))。

本发明的技术效果：

1)本发明将粉末直接压制成的环形包套式扩散偶，可以实现陶瓷粉末复合材料的低成本制备，并为其界面扩散与结合研究提供了可能。

2)本发明的外层粉末材料A在烧结过程中的收缩系数a与内层粉末材料B在烧结过程中的收缩系数b的关系为：a＝b×(1+(0.1～0.3))，也就是说外层粉末的收缩率比内层粉末的收缩率大10％～30％，于是在烧结过程中外层发生较大的收缩，对内层粉末产生一定的附加压力，此压力可以促进界面的紧密结合，从而增强各层粉末在高温下的界面结合力，解决了层状粉末材料高温下界面结合困难的问题。

3)利用未烧结的粉体制成扩散偶，大量的粉末颗粒表面之间发生接触，与粉末压制而后烧结成块制作的扩散偶相比，两种材料接触的机会增加，增大了粉体的界面接触面积，使得扩散和烧结过程发生于更大的范围，提高了粉末复合体的烧结质量。

用本发明方法烧结后扩散偶的界面情况研究通过扫描电镜、能谱分析或波谱分析以及电子探针等试验方法测定，扫描电镜结果为两个粉末材料的界面结合紧密，无裂纹合分层现象，出现过渡区特征，表明有化学反应发生。能谱分析结果，表明内层粉末材料从高含量的一侧向低含量的外层一侧扩散。扩散偶的界面结合、元素扩散及界面反应生成的新相结构。

附图说明

图1是本发明所述扩散偶结构示意图，其中图1A为通孔式扩散偶为结构示意图，图1B为图1A俯视图；图1C为沉孔式扩散偶为结构示意图、图1D为图1C俯视图。

图2是本发明的粉末扩散偶制作工艺流程图；

图3是扩散偶界面结合状况的扫描电镜照片；

图4是扩散偶界面区域的Ca原子分布曲线。

具体实施方式