[发明专利]石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连接方法。

背景技术

随着军事技术的不断发展进步，全程机动、超音速飞行和精确制导已经成为战术弹道导弹武器的发展方向。传统的树脂基防隔热材料以粘接为主的连接方式已经无法满足其恶劣的工作环境要求，新型陶瓷基复合材料及其连接技术成为突破这一关键技术必须解决的技术难题。

目前主要采用机械连接、粘接、钎焊或扩散焊的方法。机械连接主要使用螺栓进行固定，存在的最大问题是材料固定位置的受力环境不好，陶瓷开孔处存在应力集中，易造成破裂；粘接主要采用有机胶粘剂，在高温下接头强度会明显下降；传统钎焊连接技术由于部分器件结构复杂，放置钎料困难，并且圆角尺寸不易控制，无法完全满足器件要求；扩散焊需要精确控制压力，连接效率低，并且小变形率时无法实现大面积焊合。

液相扩散连接是在母材间加入熔点低于母材的中间层，加热至中间层熔点与母材熔点之间，使中间层熔化或与母材发生共晶反应，在连接界面上形成一定数量的液相，中间层中降熔元素迅速向母材扩散，使得结合界面化学成分明显改变，熔点升高从而实现等温凝固，经过等温凝固、固相成分均匀化，最后得到与母材化学成分和组织均匀一致的接头并获得连续的接合面组织，与传统连接技术相比，液相扩散连接能在连接件之间生成高温稳定的化合物中间层，其具有可靠性高，连接强度高，使用温度高，可减轻连接部位重量等优点，因此通过液相扩散连接方法来解决陶瓷基复合材料构件与金属部件的有效连接，可以极大的推动陶瓷基复合材料构件的实际应用。

发明内容

本发明的目的，在于克服上述不足，提供一种可靠性高、连接强度高的石英复合陶瓷材料与铁镍合金的液相扩散连接的方法。

为实现上述目的，本发明的一种石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连接方法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍；

2)制备中间层合金：将含微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金制备成箔片，所述中间层合金中，Au含量75％～90％，Ge含量7％～22％，Ni含量1％～1.5％，Ag含量0.5％～1％，Cu含量0.5％～1％；

3)接头装配间隙设计：石英复合陶瓷与铁镍合金连接处的装配间隙d＝d₁+d₂，其中d₁为中间层合金的厚度，d₂为石英复合陶瓷与铁镍合金连接处在加热时产生的膨胀间隙；

4)液相扩散连接：将石英复合陶瓷材料、中间层合金、铁镍合金通过工装装配后放入真空炉中，充氮气保护，在380℃～550℃下保温15～60min后随炉降温。

进一步地，所述步骤1)中，化学镀镍工艺包括除油、粗化、敏化、活化、还原及施镀六个步骤。

进一步地，所述步骤3)中，首先将石英复合陶瓷制成内径为L₁的石英复合陶瓷环，然后根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计算出需要制成铁镍合金环的外径L₂，从而装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片的厚度d₁＝d/2，膨胀间隙d₂＝d/2；

其中，L₁为石英复合陶瓷环在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度，L₂为铁镍合金环在温度为t₁时的外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数。

更进一步地，所述步骤4)中，装配的具体步骤为：首先在石墨环工装上套入外径为L₂的铁镍合金环，然后在铁镍合金环外表面套入厚度为d/2的中间层合金箔片，最后在中间层合金箔片外表面套入内径为L₁的石英复合陶瓷环，装配完成后放入真空炉中。