[发明专利]一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的焊接方法

说明书

本发明提供了一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的焊接方法，包括如下步骤：S1、分别对陶瓷材料和钛基材料的进行表面处理，得到待连接陶瓷材料和待改性钛基材料；S2、制备用于生成表面改性层的混合料；S3、将混合料涂敷到待改性钛基材料的改性面上，并进行连接处理，得到具有表面改性层的改性钛基材料；S4、将改性钛基材料、钎料以及待连接陶瓷材料顺次连接，进行钎焊；其中，钎料分别与待连接陶瓷材料的待连接面和表面改性层连接。本发明通过预先在钛基材料表面制备一层具有较小热膨胀系数的表面改性层，再进行钎焊连接，可以在不增大钎料层弹性模量的前提下，降低表面改性层的热膨胀系数，有效降低钎焊接头的残余应力。

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的焊接方法。

背景技术

陶瓷/金属复合构件综合了陶瓷材料和金属材料的优点，具有极大的应用前景；但是，由于陶瓷材料和钛基材料的热膨胀系数差异较大，陶瓷材料和钛基材料在连接的过程中将不可避免的产生焊接残余应力。较大应力将显著降低接头断裂强度，使其在较小外加载荷下萌生裂纹或开裂；甚至导致接头无法实现有效连接。因此，如何缓解接头中的高应力是实现热膨胀显著失配材料可靠连接的前提和关键。

目前，减缓接头残余应力最常用的方法是采用复合钎料。复合钎料是指在传统的金属钎料中添加具有低热膨胀系数的添加相，减小钎料层(金属)的热膨胀系数，从而直接减小钎料层与陶瓷母材的热膨胀系数差异，降低源于钎料层/陶瓷母材的热膨胀系数差异的残余应力。然而，由于复合钎料中添加相的允许含量极其有限，所以，复合钎料的热膨胀系数依旧会大于钛基材料母材，而不是介于陶瓷母材与钛基材料之间。此时，复合钎料的存在就不能起到降低陶瓷母材/钛基金属的热膨胀系数差异的作用。而且，由于钎料层的体积远小于钛基材料的体积，陶瓷/钛基材料接头的残余应力主要来自于陶瓷母材/钛基材料的热膨胀系数差异引起的残余应力，该差异远大于陶瓷母材/钎料层的热膨胀系数差异所引起的残余应力，因此，采用复合钎料减小接头残余应力的效果极其有限。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决陶瓷/钛基材料接头由于残余应力大导致的力学性能低、可靠性差的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的焊接方法，包括如下步骤：

S1、分别对陶瓷材料和钛基材料进行表面处理，得到待连接陶瓷材料和待改性钛基材料；

S2、制备用于生成表面改性层的混合料，所述表面改性层的热膨胀系数介于所述陶瓷材料的热膨胀系数和所述钛基材料的热膨胀系数之间；

S3、将所述混合料涂敷到所述待改性钛基材料的改性面上，并置于真空热处理炉中进行连接处理，得到具有表面改性层的改性钛基材料；

S4、将所述改性钛基材料、钎料以及所述待连接陶瓷材料顺次连接，形成待焊件，然后，将所述待焊件置于真空热处理炉中进行钎焊连接；其中，所述钎料分别与所述待连接陶瓷材料的待连接面和所述表面改性层连接。

可选地，步骤S2中，所述制备用于生成表面改性层的混合料，具体包括以下步骤：

S21、将氢化钛和M粉体混合，球磨得到复合粉体A，其中，M为满足如下条件的一种或多种元素：

钛-M构成低熔点共晶系统；或；所述M从所述表面改性层向所述钛基材料的高温扩散能力高于钛从所述钛基材料向所述表面改性层的高温扩散能力；

S22、向所述复合粉体A中加入填料，球磨得到复合粉体B；

S23、向所述复合粉体B中加入粘结剂，混合均匀后得到所述混合料。

可选地，步骤S21中，所述复合粉体A中所述M的质量份数为10％～90％。

可选地，步骤S21中，所述复合粉体A满足条件：