[发明专利]一种陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的大面积连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料连接技术，具体为一种陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的大面积连接方法，该材料作为高温结构件可以应用于航空航天、先进发动机及涡轮等方面。

背景技术

陶瓷材料具有高硬度、高温强度、耐磨损、绝缘性、以及耐腐蚀性等优良性能，广泛用于机械加工、化工、电子、航空航天等领域，是一种应用前途很广阔的高温结构材料。但作为结构材料，陶瓷是脆性材料，对缺陷非常敏感，陶瓷固有的硬性和脆性使其难以加工与制造，大大限制了其更广泛应用。而金属材料具有很好的延展性、较高的强韧性以及可加工性。如果将二者结合到一起，就可以综合不同材料的优点，制造出理想的结构材料。陶瓷金属连接是近三十年来异种材料连接研究的重点，陶瓷金属的有效连接对扩大其工程应用具有重要意义。

有关陶瓷和金属连接研究的深入，连接技术得到不断发展，出现了多种连接方法，先后开发出了机械连接、粘结连接、摩擦焊、活性金属钎焊法、固相压力扩散焊、部分瞬间液相连接、反应成形连接、自蔓延高温合成焊接及热压反应烧结连接等。其中研究最多的是钎焊和扩散焊。活性金属钎焊法是利用对陶瓷具有较大亲和力的一些强化学活性元素如Ti、Zr、Cr、V、Be等，与其他金属如Ag、Cu等组成活性焊料，在母材不熔化的情况下焊料熔化并润湿、填充母材连接处的间隙形成钎缝。活性金属钎焊法具有对陶瓷适用性广、接头形状尺寸适应性广、连接强度高但也存在接头工作温度偏低，尤其有时需要使用贵金属等缺点。扩散焊和钎焊基本相同，不同之处在于加热温度低，焊料不熔化，需要施加足够大的压力以使陶瓷金属紧密接触，这种方法的缺点在于压力较大，连接件可能会宏观变形，连接时间长，生产效率低，设备成本较高等。部分瞬间液相连接是使用不均匀多层中间层如B-A-B，连接过程中，通过B的熔化或A—B界面反应，仅在连接区紧邻陶瓷处形成局部液态合金,起到类似于钎料的作用。然后通过液态合金与陶瓷的界面反应以及与中间层核心金属A之间长时间的相互扩散，使液相区等温凝固和固相成分均匀化，并使接头具有固相扩散连接的耐热性，这种方法兼有活性钎焊和固相扩散连接的优点，但在连接过程中界面不易润湿和残余热应力较大，产品易变形。自蔓延高温焊接(SHS)是利用电弧或辐射加热焊料可以达到一点火温度，焊料局部引燃后，产生放热反应，此反应放热量高且集中,继续引燃其余焊料，在极短的时间内发生绝热燃烧并达到最高燃烧温度。这时燃烧波迅速蔓延，焊料由固—固态变成固—液态，完成其内部热量和质量的传递，最后经冷却形成稳定的固态接头。由于SHS可以直接方便合成功能梯度材料，即焊料一端和陶瓷亲和，另一端和金属亲和，其成分组织逐渐过渡，从而可能解决陶瓷和金属接头处的残余应力问题，但其影响因素众多，研究尚未成熟，不能工程化。

随着对各种连接方法的探索，陶瓷金属连接技术取得了很大发展，在受力较小的电真空器件和受力虽然较大但使用温度不高(小于300℃)的场合已得到了应用。但不同的连接方法各有优缺点，实验条件与工况条件不同、很难组织工业生产等问题有待解决，以实现陶瓷/金属大面积连接，实现其大规模应用。

发明内容

为克服陶瓷金属连接技术不足的问题，本发明提出了一种陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的大面积连接方法。本连接方法过程中采用热浸镀法完成对陶瓷金属化，突破了现有的电镀、化学镀、蒸镀等工艺复杂的陶瓷金属化法，操作简单易实现，并且中间层能与陶瓷紧密接触，是陶瓷金属有效连接的有利前提。在连接过程中，连接工艺类似钎焊，但采用本方法所述的连接工艺，可以降低对真空度或气氛控制的要求，甚至可以在空气中实现连接，从而降低设备成本。

本发明解决所述陶瓷金属连接技术问题的技术方案是，设计一种陶瓷与陶瓷或陶瓷与金属的大面积连接方法。其特征在于，该方法采用下述工艺：

(1)制备中间合金浸润液：根据待连接陶瓷板的尺寸选择大小合适的坩埚熔炼中间合金浸润液，将称量好的Al-Ti二元合金放入石墨坩埚中，Al-Ti二元合金中Al与Ti的重量比为9:1，然后将坩埚置于高温箱式炉内加热到二元合金熔化，再将按比例称量好的Si块、Cu片依次投放入二元合金熔液中，边投放边搅拌直至全部融化，再将坩埚放回箱式炉850℃保温半小时后降至750-800℃备用。其中Al-Ti二元合金、Si块及Cu片的重量百分比依次是90-65％、5-25％和5-10％。