一种硅基陶瓷表面金属化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硅基陶瓷表面金属化方法。
【背景技术】
[0002]硅基陶瓷以其优异的化学、热学和力学性能而具有重要的工业和军事应用前景，是最具潜力的结构陶瓷材料之一。然而由于硅基陶瓷材料本身固有的脆性和硬度而带来的制备技术上的困难，特别是成型和加工技术是制约硅基陶瓷器件大型化、形状复杂化和高可靠性应用的关键。陶瓷连接技术是硅基陶瓷实用化的有效手段，它一方面使复杂部件的制备成为可能，另一方面可大幅度地降低昂贵的加工费用。
[0003]硅基陶瓷通常采用合金钎料进行连接，但是在连接过程中，由于硅基陶瓷具有大量的共价键，使一般合金钎料难以对其进行润湿。与此同时，由于钎料合金与被焊材料间物理化学性能不匹配使得焊后接头残余热应力大，会导致接头从连接界面剥离而开裂，造成连接界面结合强度低、焊接构件可靠性差等问题。因此，采用合适的方法对硅基陶瓷表面金属化并缓解焊后接头残余热应力具有重要意义。
[0004]在钎焊过程中，常见的硅基陶瓷表面金属化方法有化学镀Ni法、电镀Ni法、烧结被Ag法、Mo-Mn法以及真空蒸发镀膜法；由于硅基陶瓷热膨胀系数较低，其与热膨胀系数相差较大的金属连接往往在焊后产生巨大的残余热应力。通过将陶瓷成分与金属成分按不同比例配比的梯度中间层可以在一定程度上缓解应力，提高接头的连接强度。如Schwartz M M将12种成分不断变化的W和Al2O3的混合粉末烧结实现了热交换器圆柱体A1203/W的连接，具体过程为:将12种混合粉末逐层铺填到模具中，产生12种成分由95%W-5% Al2O3到100% Al 203的梯度粉末叠层，之后该叠层置于被焊母材之间，形成成分连续变化的梯度材料结构以使热膨胀系数逐渐变化，Schwartz M M.Ceramic Joining.ASMInternat1nal, Materials Park, Oh1, 1990 ;但是该方法工艺繁杂，连接部件难以进行精确组装，因此工艺难控制；且对于很多被焊陶瓷/金属的组合，由于彼此相容性的原因，根本不适合中间若干个混合粉末过渡层的烧结。
【发明内容】
[0005]本发明要解决现有技术中硅基陶瓷表面金属化方法复杂，硅基陶瓷表面与合金钎料的相容性差、硅基陶瓷与被连接材料连接界面残余应力高、合金钎料对硅基陶瓷的润湿性差、连接构件与硅基陶瓷连接强度和可靠性低的问题，提供一种硅基陶瓷表面金属化方法。
[0006]本发明所述的硅基陶瓷表面金属化方法按照以下步骤进行:
[0007]步骤一、制备T1-Si合金钎料
[0008]按重量百分比，称取72%?78V0海绵Ti和余量的单晶Si，将称取的海绵Ti和单晶Si放入非自耗电弧炉中真空熔炼至钎料为均匀共晶组织，得到T1-Si合金钎料；所述的海绵Ti的纯度>99.97% ;所述的单晶Si的纯度>99.99% ;
[0009]步骤二、制备T1-Si合金钎料薄片
[0010]用电火花线切割机器，将步骤一得到的T1-Si合金钎料切成厚度为0.5mm?Imm的T1-Si合金钎料片，然后用1200#砂纸对T1-Si合金钎料片进行双面打磨，以去除氧化皮，最后在丙酮中超声清洗两次，每次1min?20min ；
[0011]步骤三、硅基陶瓷去氧化层处理
[0012]用1200#砂纸对硅基陶瓷表面进行单面打磨，以去除氧化层，最后在丙酮中超声清洗两次，每次1min?20min ;所述的硅基陶瓷为Si3N4陶瓷、SiAlON陶瓷、Si 2N20陶瓷、SiC陶瓷、SiBCN陶瓷中一种或其中两种复合而成的硅基陶瓷；
[0013]所述的硅基陶瓷为经长切纤维、短切纤维、晶须、纳米管、纳米线、石墨烯、纳米颗粒增强增韧的硅基陶瓷；所述的纳米颗粒为适用于硅基陶瓷的纳米颗粒。
[0014]步骤四、硅基陶瓷表面金属化
[0015]然后将步骤二得到的T1-Si合金钎料薄片放置于硅基陶瓷打磨表面上，并放入真空钎焊炉中，在真空钎焊炉中真空度达到7.0X 10 2Pa?1.5 X 10 2Pa后，先以20°C /min?400C /min升温速率升温至1000°C?1100°C，再以10°C /min?30°C /min升温速率升温至138CTC?143CTC并保温1min?30min，然后以10°C /min?40°C /min的冷却速率降温至300°C?500°C，最后关掉电源自然冷却至室温，即得到表面金属化后的硅基陶瓷；
[0016]本发明所述的方法具备以下有益效果:
[0017]一、本发明方法是通过对硅基陶瓷表面金属化处理，硅基陶瓷表面成键性质由共价键向金属键转变，使得硅基陶瓷的表面性质亲金属，从而提高其与合金钎料的相容性及合金钎料对硅基陶瓷的润湿性，并且润湿角始终平均稳定在17°左右，使合金钎料更容易与硅基陶瓷可靠连接，减少硅基陶瓷基体溶解，进而提高了硅基陶瓷和其它材料的连接强度和连接的可靠性，测试得到接头剪切强度为60?70MPa ;
[0018]二、经本发明方法表面金属化硅基陶瓷具备金属和陶瓷两种特征，即金属化层中金属键共价键离子键共存，热膨胀系数介于金属与陶瓷之间，可以有效的缓解接头残余应力；
[0019]三、本发明方法利用Ti具有活性的特点，能够润湿绝大多数陶瓷，以共晶成分的钛硅为原料对硅基陶瓷表面金属化处理，不受硅基陶瓷种类、复合材料及尺寸约束，可在硅基陶瓷表面形成均匀分布的金属化层，在硅基陶瓷经本发明方法金属化后进行钎焊时，可以使用不含活性元素的合金钎料，且可以选用的合金钎料钎焊的温度选择范围较广，包括低温软钎料，也包括高温硬钎料；
[0020]四、本发明方法工艺简单，可重复性高，适用于高温钎焊，可对大尺寸、粗糙表面的试样进行表面金属化处理，适合产业化生产，具有极好的工业化应用前景；
【附图说明】
[0021]图1为实施例1中T1-Si合金钎料在(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷表面润湿的金相图；
[0022]图2为实施例1、2和3中T1-Si合金钎料在(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷表面金属化的工艺曲线；
[0023]图3为实施例2中两块经T1-Si合金钎料金属化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷连接接头的SEM图;
[0024]图4为实施例2和3中经T1-Si合金钎料金属化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷连接工艺曲线；
[0025]图5为实施例2制备的试样的断口照片；
[0026]图6为实施例3制备的经T1-Si合金钎料金属化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷与Mo片连接接头的SEM图；
[0027]图7为实施例1中采用T1-Si合金钎料对(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷金属化组装示意图，图中I为T1-Si合金钎料，2为打磨表面，3为硅基陶瓷；
[0028]图8为实施例2中验证T1-Si合金钎料对硅基陶瓷的连接性的组装示意图，图中I为硅基陶瓷，2为硅基陶瓷金属化层；
[0029]图9为实施例3中探讨T1-Si合金钎料与高温金属的连接性试验的组装示意图，图中I为钼片，2为T1-Si合金钎料，3为硅基陶瓷金属化层，4为硅基陶瓷。
【具体实施方式】
[0030]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意合理组合。
[0031]【具体实施方式】一:本实施方式硅基陶瓷表面金属化方法，按以下步骤实现:
[0032]步骤一、制备T1-Si合金钎料
[0033]按重量百分比，称取72%?78V0海绵Ti和余量的单晶Si，将称取的海绵Ti和单晶Si放入非自耗电弧炉中真空熔炼至钎料为均匀共晶组织，得到T1-Si合金钎料；
[0034]步骤二、制备T1-Si合金钎料薄片
[0035]用电火花线切割机器，将步骤一得到的T1-Si合金钎料切成厚度为0.5mm?Imm的T1-Si合金钎料片，然后用1200#砂纸对T1-Si合金钎料片进行双面打磨，最后在丙酮中超声清洗两次，每次10?20min ；
[0036]步骤三、硅基陶瓷去氧化层处理
[0037]用1200#砂纸对硅基陶瓷表面进行单面打磨，最后在丙酮中超声清洗两次，每次1min ?20min ；