专利名称：提高陶瓷接头高温性能的连接方法
技术领域：
本发明属于材料加工技术领域，特别涉及连接陶瓷材料的方法。
结构陶瓷具有优越的耐高温与隔热性能，将其用在发动机等高温领域中可以有效地提高发动机的性能，而且降低能耗。但因其本征脆性以及制备高性能的复杂构件的难度很大而使之要经过连接或与金属复合构成实际构件而用于热机中。
现有的连接陶瓷材料的方法主要是用银铜钛钎料进行钎焊或是用活性金属中间层进行固相扩散连接。这些连接方法虽然可以获得室温强度较好的陶瓷接头，但这些接头的使用温度一般不超过300～500℃。无法充分发挥陶瓷材料的耐高温优势，降低能耗和污染的效果不明显。要获得耐高温性能的陶瓷接头，一般采用高温钎料在1200～1400℃下进行连接或是采用以贵金属为基的合金，如金基、铂基或钯基等合金。高温连接不仪对连接设备提出更高的要求以及造成更多的能源消耗，而且因连接温度太高以致陶瓷材料性能会因此受损而要另外采取保护措施，如需要在连接之前进行预金属化加以保护。这样不仅设备要求高、能耗高，而且工艺复杂时间长。用贵金属为基的合金进行钎焊资源有限、成本高，也不利于方法的推广与应用。玻璃陶瓷烧结方法不能用于连接陶瓷与金属，而且接头的脆性大，因而也无法满足热机领域使用对陶瓷接头的要求。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种提高陶瓷接头高温性能的连接方法，能在较低温度下连接(在此温度下陶瓷性能不受损伤)、不使用贵金属合金、接头在600℃下具有较高的力学性能，具有低成本、低消耗的优点。
本发明所提出的提高陶瓷接头高温性能的连接方法有以下三种第一种是用铝、钛、铝构成的多层金属中间层，具体包括如下步骤1、在被连接材料之间依次插入铝、钛、铝三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为铝150～250微米，钛20～40微米。
2、放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压0.2～2兆帕，加热至770～820℃，保温20～40分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
第二种是用铝、镍、铝构成的多层金属中间层，具体包括如下步骤1.在被连接材料之间依次插入铝、镍、铝三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为铝150～250微米，镍15～30微米。
2.放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压0.2～2兆帕，加热至870～920℃，保温40～60分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
第三种是用钛、镍、钛构成多层金属中间层，具体包括如下步骤1.在被连接材料之间依次插入钛、镍、钛三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为钛15～25微米，镍300～600微米。
2.放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压2.5～5.0兆帕，加热至1030～1080℃，保温60～120分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
本发明的原理是在连接过程中通过原位生成金属间化合物来强化陶瓷接头。金属间化合物兼有金属与陶瓷的优点，是新型高温结构材料之一，也具有优越的高温性能。但多数金属间化合物同样也是脆性材料，需进行韧化处理才能得到实用的性能。本发明通过合理设计用于连接的多层金属中间层材料，使之在连接过程中既可以实现对陶瓷材料的连接，又可以原位生成金属间化合物，并且通过合理控制工艺条件来获得综合性能较好的、以多种金属间化合物为主的连接层，使陶瓷接头的耐高温性能得以提高，同时还具有较高的室温性能。
由于多层金属中间层在与陶瓷接触部位形成的过渡液相存在时间短，在液相存在期间反应进行的程度有限，连接层金属与陶瓷之间尚未形成明显的反应层，要形成足够的结合还需要通过固态扩散进一步反应。另外，在连接温度下，多层金属中间层形成的过渡液相对陶瓷的铺展能力较差，不加压或压力较小不足以使液相与陶瓷完全接触，它们之间发生反应的面也有限，无反应部位将成为未结合缺陷而使接头强度降低。因此，在利用多层金属中间层连接陶瓷时需要施加足够的压力，但压力过大后，会由于过多地减少了过渡液相的量而使中间层组织主要由脆性金属间化合物组成或由于过多地减少了过渡液相而使活性元素不足、界面反应无法充分进行，也使接头强度降低。
连接温度与保温时间均因影响接头的组织而影响其性能。连接温度过低，无法形成液相或反应活性较低而使接头性能较低，连接温度过高因形成单一的脆性很大的金属间化合物而使接头组织不利。保温时间过短因陶瓷与金属间的反应不足而使接头强度较低；过长则因脆性金属间化合物成为接头中的主要组织而使接头强度也较低。
本发明的效果本发明能在较低温度下连接陶瓷(在此温度下陶瓷性能不受损伤)，不使用贵金属合金，工艺简单，低成本、低消耗，且接头具有较高的高温力学性能。用Ti/Ni/Ti多层金属中间层，在1050℃下连接，获得的陶瓷接头室温剪切强度可以达到140兆帕左右；600℃下接头的剪切强度还可以保持100兆帕左右的水平。
附图简要说明
图1为本发明的连接方法示意图。
本发明提出三种提高陶瓷接头高温性能的连接方法的实施例，分别说明如下实施例1在被连接材料之间依次插入铝、钛、铝三层结构的多层金属中间层连接材料，如图1所示，其中1为被连接陶瓷材料，2为铝，3为钛；其工艺条件(三组不同条件)如表1所示，形成的接头室温剪切强度可达70～90兆帕，600℃强度约30～50兆帕。
表1以铝、钛、铝三层结构的多层金属中间层为连接材料时的工艺条件
<p>实施例2被连接材料之间依次插入铝、镍、铝三层结构的多层金属中间层连接材料，如图1所示，其中1为被连接陶瓷材料，2为铝，3为镍；其工艺条件(三组不同条件)如表2所示，形成的接头室温剪切强度可达60～70兆帕，600℃强度约40～60兆帕。
表2以铝、镍、铝三层结构的多层金属中间层为连接材料时的工艺条件
实施例3被连接材料之间依次插入钛、镍、钛三层结构的多层金属中间层连接材料，如图1所示，其中1为被连接陶瓷材料，2为钛，3为镍；其工艺条件(三组不同条件)如表3所示，形成的接头室温剪切强度可达120～140兆帕，600℃强度约70～100兆帕。
表3以钛、镍、钛三层结构的多层金属中间层为连接材料时的工艺条件
权利要求
1.一种提高陶瓷接头高温性能的连接方法，采用铝、钛、铝构成的多层金属中间层为连接材料，具体包括如下步骤(1)在被连接材料之间依次插入铝、钛、铝三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为铝150～250微米，钛20～40微米；(2)放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压0.2～2兆帕，加热至770～820℃，保温20～40分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
2.一种提高陶瓷接头高温性能的连接方法，采用铝、镍、铝构成的多层金属中间层，具体包括如下步骤(1)在被连接材料之间依次插入铝、镍、铝三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为铝150～250微米，镍15～30微米；(2)放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压0.2～2兆帕，加热至870～920℃，保温40～60分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
3.一种提高陶瓷接头高温性能的连接方法，采用钛、镍、钛构成多层金属中间层，具体包括如下步骤(1)在被连接材料之间依次插入钛、镍、钛三层结构的多层金属中间层，其厚度范围为钛15～25微米，镍300～600微米；(2)放入5×10-5乇以上的真空炉中，加压2.5～5.0兆帕，加热至1030～1080℃，保温60～120分钟，冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。
全文摘要
本发明属于材料加工技术领域,采用铝、钛、铝或铝、镍、铝或钛、镍、钛构成多层金属中间层,其步骤为:1)在被连接材料之间插入三层结构的多层金属中间层:2)放入真空炉中,加压,加热,保温,冷却至室温即可形成耐高温性能较好的接头。本发明能在较低温度下连接(在此温度下陶瓷性能不受损伤)、不使用贵金属合金、接头在600℃下具有较高的力学性能,具有低成本、低消耗的优点。
文档编号B32B18/00GK1272475SQ0010749
公开日2000年11月8日 申请日期2000年5月19日 优先权日2000年5月19日
发明者吴爱萍, 邹贵生, 任家烈 申请人:清华大学