[发明专利]一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法，通过增材制造形成陶瓷基体表面层宏微结构，通过精密铸造浇注金属，实现陶瓷基体与金属的界面冶金结合、结构铰接和整体复杂结构成形，达成成形构件具备陶瓷和金属双性能指标，且结合区强度不小于陶瓷或金属相。适用于研制具有复杂曲面结构的陶瓷/金属双性构件，包括但不限于火箭发动机尾喷管、坦克装甲层等；该方法弥补了传统制备方法陶瓷/金属结合强度不足、复合层脱落、长期蠕变开裂的缺陷，能增大金属和陶瓷一体化构件结合区的强度，并提升构件长期服役的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于增材制造和精密浇注技术领域，具体涉及一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件及其制备方法。

背景技术

金属/陶瓷异种材料的连接主要有机械连接、胶接(也称粘接)和焊接等方法。金属/陶瓷机械连接的接头强度低、气密性差，无法满足极端环境下的使用要求，工程应用非常少。胶接虽然改善了接头的气密性，但是胶接接头的强度较低、使用温度也非常低。与机械连接和胶接相比，焊接能够获得高强度、耐高温且具有良好气密性的接头，由于焊接对试件几何形状及尺寸要求不高，其适用范围更广。目前适用于陶瓷与金属的连接的方法主要有钎焊、扩散焊、瞬时液相扩散连接、摩擦焊、自蔓延高温合成等。

传统陶瓷/金属复合材料构件制造原理是陶瓷与金属平界面冶金反应连接，该方法制造出来的样品接头强度仅为25MPa，而且在冷却过程中会引起很大的残余应力，并因此降低了接头强度。

陶瓷/金属复合材料的共性目标聚焦于陶瓷和金属结合区强度、可靠性、稳定性的提升，常见的失效形式包括冲击碎裂、蠕变裂纹、复合层脱落等都会降低陶瓷和金属构件的可靠性和稳定性，这些失效行为已成为新型复合材料应用所面临的一项亟待解决的问题。。

发明内容

本发明的目的在于改善传统的陶瓷/金属复合材料构件的成型方法，将光固化凝胶注模技术与精密铸造浇注金属技术相结合，提高陶瓷/金属连接头的强度。

本发明采用如下技术路线：

一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件，其特征在于，包括陶瓷基体和金属实体，陶瓷基体和金属实体之间设置有连接层，连接层包括若干相互交错的骨架，骨架之间具有孔隙，连接层的孔隙中填充有和金属实体的材质相同的金属。

进一步的，陶瓷基体与金属实体连接的表面上沉积有金属覆膜层。

进一步的，金属覆膜层由能与金属实体的材料形成金属原子互溶的金属材料沉积得到。

进一步的，连接层和陶瓷基体为一体成型结构。

一种金属和陶瓷物化双强连接一体化构件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对要制备的陶瓷和金属一体化构件进行三维建模设计，并在陶瓷模型表面设计连接层，得到表面有连接层的陶瓷模型，连接层包括若干交错设置的骨架，骨架之间具有孔隙；

步骤2、根据步骤1设计好的表面有连接层的陶瓷模型制备出陶瓷实体，陶瓷实体包括陶瓷基体和连接在陶瓷基体表面的连接层；

步骤3、以表面有连接层的陶瓷实体为基体，在基体上制备精密铸造型壳；

步骤4、在陶瓷基体外表面制备金属覆膜层；

步骤5、在步骤3制得的精密铸造型壳下部的陶瓷实体上浇注金属，使金属液包覆陶瓷实体上部的连接层，形成陶瓷双相区的冶金结合，继续浇注金属溶液，直至金属实体的厚度达到设计值；

步骤6、去除步骤3制得的精密铸造型壳，从而得到金属和陶瓷一体化构件。

进一步的，步骤2中，制备陶瓷实体所用材料为氧化铝基陶瓷，氧化铝基陶瓷的原料为氧化铝抛光粉，氧化铝抛光粉纯度大于或等于99.9wt%。