[发明专利]一种碳化物陶瓷的扩散连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化物陶焊接方法。

背景技术

碳化物陶瓷及其复合陶瓷是一种重要的高温、超高温结构材料，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨、良好的导电导热性能等优点，在航空航天、武器装备、石油化工以及工业制造等领域具有广阔的应用前景。由于陶瓷材料的本征脆性和制备方法的限制，难以获得大尺寸以及形状复杂的陶瓷构件，因此实现此类陶瓷以及陶瓷与其它材料的可靠连接是其获得应用的前提。

目前，有关陶瓷以及陶瓷与金属材料连接的文献报道主要有扩散焊和钎焊。其中，钎焊虽然具有方法简单，对焊接接头的结构形式适应性强等优点，但是钎焊接头抗氧化性能、耐高温性能差，而扩散焊接头强度高、适用温度高，因此更能发挥上述陶瓷材料的优点。

由于陶瓷材料中原子间作用主要为共价键或离子键，因此其化学活性低，难以与其它材料发生界面反应形成可靠的焊接接头，因此在钎焊或者扩散焊过程中通常采用含有Ti、Zr、Hf等活性元素的钎料或者中间层，其中Ti以其活性强、经济性高等优点获得广泛应用，如钎焊中常采用含活性元素Ti的Ag-Cu-Ti活性钎料，扩散焊中常用Ti箔材作为中间层用于陶瓷材料以及陶瓷与金属材料间的连接。当采用金属中间层扩散连接陶瓷材料时，传统扩散焊接头中由于残留金属中间层的存在降低了焊接接头的力学性能和使用温度，削弱了接头的高温性能如抗氧化性能、抗腐蚀/冲蚀性能。因此，设计一种方法实现碳化物陶瓷及其复合陶瓷可靠连接，并获得组织均匀、使用温度高的焊接接头成为亟待解决的问题。

陶瓷材料扩散连接中，可选择的金属中间层有Ti、Zr等活性中间层，Al、Cu、Ni、Nb等软金属中间层，W、Mo、Ta等低膨胀中间层以及这些金属的复合中间层。使用Ti、Zr活性中间层能实现碳化物陶瓷及其复合陶瓷的可靠连接，但是这两种材料在高温下极易氧化，因此焊接接头不能在高温环境下使用；Al、Cu等软金属中间层能通过变形释放热应力提高焊接接头的力学性能，但是这两种材料的熔点较低；W、Mo、Ta等低膨胀中间层热膨胀系数与陶瓷材料十分接近，但是直接与陶瓷材料连接时不易变形与陶瓷材料紧密接触，因此接头中出现大量孔洞缺陷。Ni与Nb均为高温材料，这两种材料同时具有良好的塑性变形能力和高温抗氧化能力，是连接陶瓷材料十分理想的中间层材料，但是通过三元相图分析和热力学计算发现，Nb与部分碳化物陶瓷如ZrC陶瓷不能发生反应。而Ni具有较高的熔点（1455℃），优良的塑性变形能力，又能与碳化物陶瓷发生反应，从而成为连接碳化物陶瓷及其复合陶瓷的理想中间层材料。但是现有采用金属中间层连接碳化物陶瓷或者碳化物陶瓷-金属接头时，由于界面形成化合物层阻碍原子的进一步扩散，在焊接接头中形成残留金属中间层，残留金属中间层对接头力学性能、高温抗氧化性能以及抗腐蚀/冲蚀性能产生不良影响。

发明内容

本发明的目的要解决现有采用金属中间层连接碳化物陶瓷及复合陶瓷时焊接接头中形成残留金属中间层，且组织不均匀的问题，而提供一种碳化物陶瓷的扩散连接方法。

一种碳化物陶瓷的扩散连接方法，具体是按以下步骤完成的：一、表面清理：首先采用机械打磨或者采用有机溶液对两个待焊接的碳化物陶瓷表面进行清理，得到两个表面清理后碳化物陶瓷；二、电镀Ni金属层：采用电镀方法在两个表面清理后碳化物陶瓷表面电镀Ni金属层，电镀的Ni金属层厚度为2μm~50μm，得到两个带Ni金属层的碳化物陶瓷；三、焊接：首先采用对接的方式将两个带Ni金属层的碳化物陶瓷固定对接，然后装配于石墨夹具中放置于真空扩散焊炉中，然后在焊接压力为5MPa~20MPa、在真空度为0.5×10^-3Pa~1.5×10^-3Pa和加热速率为10℃/min~30℃/min的条件下从室温加热至1000℃~1500℃，并在焊接压力为5MPa~20MPa、在真空度为0.5×10^-3Pa~1.5×10^-3Pa和温度为1000℃~1500℃下保温10min~60min，然后以冷却速度为5℃/min~20℃/min速率冷却至室温，即完成碳化物陶瓷的扩散连接。