[发明专利]一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷连接技术领域，具体涉及一种具有成本低、操作简单、连接强度高及性能稳定等诸多优点的采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法。

背景技术

陶瓷材料在航空、航天、军工、核能、汽车等方面应用广泛。但这种材料塑性差，加工困难，不易制成大型或形状复杂的构件，因此其使用受到限制。目前，连接陶瓷材料最常见的方法是钎焊，其所用钎料多为金属材料。采用该技术制成的接头不仅能发挥陶瓷的优良性能，满足更多设计与加工需求，同时还有成本低、操作简单、连接强度高及性能稳定等诸多优点。

陶瓷连接主要涉及到两个问题：1）润湿性问题：由于金属钎料表面的物理和化学性质与陶瓷相比差异较大，一般的金属钎料难以对陶瓷表面形成润湿；2）残余应力问题：陶瓷钎焊采用金属钎料，一般的金属材料与陶瓷之间热膨胀系数差异较大，钎焊降温过程中，容易在接头的连接界面附近形成高的残余应力。

对于润湿性问题可以往钎料内添加活性元素，通过活性元素与陶瓷之间的反应来得到解决。对于残余应力问题，常见的缓解方法有：调整陶瓷和金属的CTE差；采用较低的温度或慢的冷却速度；接头中插入中间层或缓冲层；采用缓和结构等。由于陶瓷和金属之间的热膨胀系数相差很大，调整两种材料的CTE错配及降温慢冷的方法效果十分有限；而插入中间层或缓解层往往会使得钎料层内引入额外的反应相，损害接头的力学性能。为了获得低残余应力且稳定可靠的接头，需要找出一种缓解接头残余应力的新方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种具有成本低、操作简单、连接强度高及性能稳定等诸多优点的采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于选取一定孔隙率和孔径范围的多孔陶瓷薄片，将该多孔陶瓷薄片与钎料一起放置于两个陶瓷焊件中间，在钎焊加热过程中，钎料融化进入多孔陶瓷薄片的小孔中，并与两端陶瓷界面反应形成接头，实现陶瓷连接。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于包括如下步骤：

1）选取孔径5-20μm，孔隙率15%-30%的多孔陶瓷，通过切割机将其加工成0.5-1.5mm的多孔陶瓷薄片；

2）在步骤1）的多孔陶瓷薄片两侧放上钎料，并将其固定；

3）按照陶瓷、步骤2）的多孔陶瓷薄片、陶瓷的顺序将上述材料放入钎焊炉。加热过程中，钎料融化进入中间层多孔陶瓷薄片的小孔里，并与两端的陶瓷焊件界面反应形成接头，再缓慢降温取出。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于所述的多孔陶瓷薄片孔径5-20μm，孔隙率15%-30%，薄片厚度为0.5-1.5mm。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于所述的多孔陶瓷薄片与钎料通过502胶水粘接。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于多孔陶瓷薄片放入钎焊炉前先进行预热保温，预热温度为300℃，保温时间为20-40min。

所述的一种采用多孔陶瓷中间层连接陶瓷的方法,其特征在于焊钎后降温1.5-2.5小时，温度至300℃后随炉冷却。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明采用限定孔径、孔隙率及厚度的多孔陶瓷作为中间层，显著降低接头内的应力水平，陶瓷接头内的残余应力主要来自以下两方面：1）被连接母材与连接材料之间的热错配引起的残余应力；2）钎料合金在凝固收缩过程中引起的收缩应力；对陶瓷接头来说，第一部分应力属于宏观应力，对接头性能影响最大；本发明实施过程中，使得接头内连接区组织由陶瓷及其内填充的钎料组成，此时将连接材料作为一个整体考虑，则连接区与两端被连接陶瓷的热膨胀系数差变小，因此由热错配引起的宏观应力将大幅度下降；这种情况下，接头内应力水平主要取决于收缩应力。本发明在实际钎焊时，熔融的合金钎料进入陶瓷中间层的通孔内，被分割成若干个相对孤立的小熔区，凝固收缩时，合金将由较大面积的整体收缩转变成许多小熔区相对孤立的凝固收缩，由于相邻小熔区合金的凝固收缩方向相反，也可在一定程度上降低接头内的应力；此外，由于孔隙具有显著的吸收能量、抗冲击和释放应力作用，可通过对钎料量和凝固速度等的调控，使连接后接头内残存部分孔隙，进一步降低接头内的应力水平；