[发明专利]一种碳化硅陶瓷的放电等离子扩散连接方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅陶瓷的放电等离子扩散连接方法，其中连接层材料主要由ZrB₂和SiC两相组成。复相陶瓷连接层的制备和SiC陶瓷接头的扩散连接同时完成，连接层由ZrH₂、B₄C及Si粉在高温下原位反应形成，原料配比按质量百分比构成为：B₄C 20‑25％，Si 10‑15％，余量为ZrH₂。连接层由ZrB₂和SiC组成的复相陶瓷构成，具有与SiC陶瓷相近的热物理性能和力学性能，从而实现了良好的界面结合，避免了接头裂纹的形成，提高了接头强度。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷的放电等离子扩散连接方法，属于陶瓷材料的连接领域。

背景技术

随着科技的进步和现代工业的发展，对所需的结构材料也要求越来越严苛，在一些极端的高温、高腐蚀、高磨损、强辐照等环境下，传统的金属材料已不能满足使用需求。在这种情况下，一些先进的陶瓷材料，凭借其高温稳定性、抗腐蚀性、耐磨损性、抗辐照性等优异的性能脱颖而出，对陶瓷及其复合材料结构件的需求日益增多。由于技术及设备的制约，陶瓷材料很难做到直接制备大尺寸或形状复杂的结构件，因而发展可靠的陶瓷连接技术便成为陶瓷的应用中亟待解决的关键问题。

碳化硅陶瓷是一种重要的结构陶瓷。目前碳化硅的连接手段主要有机械连接、钎焊、扩散连接、无压固相反应连接、先驱体连接、反应连接等。机械连接接头可以承受很高的温度和应力，但接头气密性差，连接处易产生应力集中。钎焊法可制备致密的钎焊接头，但接头的强度较低，耐热能力差，且某些情况下钎料与待连接母材之间润湿性不足。陶瓷先驱体连接方法可制备与碳化硅基体的热物理性能相匹配的接头，连接过程不需要施加很大的压力，但接头处残留有大量的气孔，降低了接头的强度和可靠性。

近年来，放电等离子扩散连接技术受到国内外广泛关注，它具有升温效率高、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等显著优点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米材料、非晶块体材料、梯度材料等。将放电等离子扩散连接技术应用于连接碳化硅陶瓷及其复合材料，对碳化硅陶瓷的发展及推广应用具有重要的意义。

发明内容

为了获得具有较高强度的SiC/复相陶瓷层/SiC扩散焊接头，改善上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种碳化硅陶瓷的放电等离子扩散连接方法。

对碳化硅陶瓷直接进行放电等离子扩散连接的温度高达1900℃，而采用在碳化硅陶瓷母材之间插入中间层的方法可以降低连接温度。采用具有较低热膨胀系数和优异高温力学性能的陶瓷中间层进行碳化硅的连接是比较理想的，因其可以避免接头残余应力过大而在接头中出现微裂纹甚至连接失败的情况，同时可以保证接头的高温强度。采用原位反应的方法获得含有SiC的复相陶瓷作为中间层进行放电等离子扩散连接SiC陶瓷，能够在降低连接温度的同时，获得高强度的碳化硅陶瓷接头。

本发明碳化硅陶瓷的放电等离子扩散连接方法，包括如下步骤：

步骤1：连接层粉末的制备

按配比量称取ZrH₂粉、Si以及B₄C，倒入玛瑙研磨钵中，以无水酒精为研磨介质，手工研磨3h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中干燥6h，即得连接层粉末；

步骤2：陶瓷块体预处理

采用金刚石研磨抛光悬浮液对SiC陶瓷块体的待连接面进行抛光，将抛光后的SiC陶瓷块体放入酒精溶液中超声清洗，室温下风干，得到待连接SiC陶瓷块体；

步骤3：放电等离子扩散连接