一种陶瓷与金属钎焊复合构件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷与金属钎焊领域，尤其涉及一种陶瓷与金属钎焊复合构件及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 新型结构陶瓷材料具有强度高、硬度高、耐高温、抗腐蚀等优点，广泛应用于机械、 化工、电子等领域。但因陶瓷材料的本征脆性和强度分散等特点也使其很难直接用来制造 大尺寸和结构复杂的零件，限制了其应用。在许多场合下，陶瓷材料需要同塑性、韧性及抗 冲击能力强的金属结合在一起，以连接体的形式来使用，使陶瓷与金属连接构成的复合构 件可以获得金属、陶瓷性能互补的优势，满足现代工程的需要。
[0003] 但是，陶瓷与金属的化学成分和物理性能均有很大差别，特别是两者的线膨胀系 数差异很大，如作为陶瓷的Al2〇3线膨胀系数为5.96 X ΙΟ^Γ1，Si3N4的线膨胀系数只有3.2 X 10-6K-1，而金属A1和Fe的线膨胀系数高达23 · 6 X 10-6K-1和11 · 7 X 10-吃一1。
[0004] 现有技术中，常用的连接金属与陶瓷的方法是钎焊，即通过钎料熔化使陶瓷与金 属连接。在钎焊的加热和冷却过程中，陶瓷、金属各自产生膨胀和收缩，由于其线膨胀系数 差异较大，造成冷却后在接头界面及附近产生较大的残余应力。残余应力对构件的承载能 力、疲劳强度、抗应力腐蚀能力、构件精度、尺寸稳定性和使用寿命都有很大影响。随着陶瓷 与金属连接接头残余应力的增加，接头的力学性能（如拉伸、剪切强度）降低，疲劳性能下 降。因而，探索陶瓷与金属之间残余应力的缓解措施，对实现二者的高可靠性的连接尤为重 要。
[0005] 目前国内外缓解残余应力的途径主要集中在以下几个方面:第一，选择合适的连 接材料，例如尽量选用热膨胀系数相近的连接材料等;第二，设计合理的连接结构，通过合 理的连接结构来降低、抵消和转移残余应力，针对每一种具体的构件需要具体分析和设计； 第三，采用合理的焊接工艺，该方法也能够有效的降低残余应力，但是缓解的程度有限；第 四，添加中间层，这是迄今应用最广泛，也是最成功的方法。通过中间层来缓解陶瓷与金属 连接接头的残余应力，并取得了一定效果。但是现有的中间层仍具有吸能作用有限、不能有 效止裂的缺陷。并且，由于残余应力随着接头面积的增大而增大，而中间层缓解残余应力的 能力有限，因而陶瓷与金属的接头面积较大时缓解效果不理想。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷与金属钎焊复合构件，并提供通 过钎焊法制备该构件的制备方法，通过在陶瓷和金属的待焊面之间添加含有泡沫金属的中 间层，能够均匀分散并有效的吸收残余应变能，缓解连接界面的残余应力，从而显著提高陶 瓷与金属钎焊复合构件的强度和热疲劳性能。
[0007] 本发明的一个实施方式在于提供一种陶瓷与金属钎焊复合构件，包括金属、陶瓷 以及在陶瓷和金属的待焊面之间形成的中间层，所述中间层含有上层钎料、泡沫金属层和 下层钎料。
[0008] 本发明的发明人经研究发现，通过在陶瓷和金属的待焊面之间形成含有泡沫金属 的中间层，能够缓解连接界面的残余应力，具有优异的压缩应力-应变特性，同时能够控制 陶瓷和金属在钎焊时发生的界面反应，改变或抑制界面反应产物，因而能够显著提高陶瓷 与金属钎焊复合构件的强度和热疲劳性能。
[0009] 发明人认为，这与泡沫金属独特的结构特点有关。从微观角度来说，泡沫金属含有 多个无方向性的泡沫气孔，在钎焊过程中，上层钎料和下层钎料在高温下熔化，分别渗透到 泡沫金属层两侧表面的多孔结构中，待钎焊完成后，熔融的钎料在各泡沫气孔中分别独立 地凝固收缩，难以形成在整个接头面积上应力的叠加。换句话说，钎焊过程中集中作用于连 接界面的残余应力被泡沫金属层中的泡沫气孔分散并吸收，从而赋予中间层以良好的吸能 减震性能。
[0010]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属层选自Ni、Mo、Cu、Ti、AlSW 及其合金中的至少一种。
[0011]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属的孔隙率为20%_95%，优选 为60%-90%。若泡沫金属的孔隙率低于20%，则不能充分发挥其吸能减震的作用；而若泡 沫金属的孔隙率大于95%，则会影响复合构件的整体强度。
[0012]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属的孔径为0.01mm-3mm，优选 为0. lmm-lmm。若泡沫金属的孔径小于0.01mm，则由于气孔过密，不能有效分散和吸收用于 连接界面的残余应力;而若泡沫金属的孔径大于3_，则会影响复合构件的整体强度。
[0013]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述泡沫金属的厚度为0.01mm-6mm，优选 为0. lmm-lmm。若泡沫金属的厚度小于0.01mm，则不能充分发挥其吸能减震的作用；而若泡 沫金属的厚度大于6_，则会影响陶瓷与金属钎焊复合构件的整体连接性和强度。
[0014]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述上层钎料和下层钎料为活性钎料，优 选为A1基、Ti基、Cu基、Co基或Ag基钎料，更优选为Ag-Cu-Ti钎料。
[0015]在本发明的一个更优选的实施方式中，所述Ag-Cu-Ti钎料中Ag的含量为20-30wt%，Ti的含量为3-5wt%，余量为Cu。
[0016] 本发明的另一个实施方式在于提供上述陶瓷与金属钎焊复合构件的制备方法，包 括以下步骤：
[0017] 将上层钎料、下层钎料和泡沫金属加工成与待焊面面积相同或相近的上钎料层、 下钎料层和泡沫金属层；
[0018] 在待焊陶瓷表面依次放置下钎料层、泡沫金属层、上钎料层以及待焊金属，施加一 定压力以完成装配；
[0019] 将装配好的试样在真空条件下加热并保温一定时间后冷却。
[0020] 根据本发明，所述待焊金属可具体的列举为因瓦合金、不锈钢、钛合金、高强钢、镍 基高温合金、可伐合金等;所述待焊陶瓷可具体的列举为Si0 2玻璃陶瓷、BN陶瓷、TiC金属陶 瓷、Al2〇3陶瓷、ZrB2陶瓷、Si 3N4陶瓷、Zr02陶瓷、Si02-BN陶瓷等。
[0021] 根据本发明，所述面积相同或相近表示上钎料层、下钎料层和泡沫金属层与待焊 面面积之差不大于± 15 %，优选不大于± 8 %。
[0022] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述上钎料层、下钎料层和泡沫金属层采 用丙酮进行超声清洗处理，超声清洗处理的时间为2-10min。
[0023]在本发明的另一个优选的实施方式中，所述待焊陶瓷和待焊金属在装配前，先对 其待焊面进行打磨和清洗，以去除其表面的氧化膜、油污等杂质。
[0024] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述一定压力为0 · 00IMPa-O · 5MPa。
[0025] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述真空条件的真空度1.0 X 10_3-1.5 X 10-3Pa〇
[0026] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述加热包括以5-80°C/min的加热速度加 热至800-1000°C，保温时间为l_120min，优选为30-60min。
[0027] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述冷却包括以5_80°C/min的速度冷却到 100-400°C，然后自然冷却至室温。
[0028] 根据本发明提供的陶瓷与金属钎焊复合构件，通过在陶瓷和金属的待焊面之间添 加含有泡沫金属的中间层能够缓解连接界面的残余应力，具有优异的压缩应力-应变特性， 同时能够控制陶瓷和金属在钎焊时发生的界面反应，改变或抑制界面反应产物，因而能够 显著提高陶瓷与金属钎焊复合构件的强度和热疲劳性能。
[0029] 根据本发明提供的制备方法，可以直接利用现有的材料，不需进行复杂的预处理， 易于实现陶瓷与金属的牢固结合。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例1的陶瓷与金属钎焊复合构件的装配示意图，图1中，1-待焊金 属，2-上钎料层，3-泡沫金属层，4-下钎料层，5-待焊陶瓷。
[0031] 图2为本发明实施例1所使用的泡沫金属Ni的形貌图，其中图2(a)为宏观形貌图， 图2(b)为微观形貌图。
[0032] 图3为本发明中制备完成的陶瓷与金属钎焊复合构件的照片，其中，图3(a)为对比 例1的陶瓷与金属钎焊复合构件的微观组织照片，图3(b)为实施例1的陶瓷与金属钎焊复合 构件的微观组织照片，Γ -金属端，5 陶瓷端，6-裂纹。
[0033] 图4为本发明中制备完成的陶瓷与金属钎焊复合构件发生断裂后断面的形貌图， 其中图4(a)为比较例1的陶瓷与金属钎焊复合构件的断面形貌图，图4(b)为实施例1的陶瓷 与金属钎焊复合构件的断面形貌图。
[0034]图5为剪切强度测试示意图，图5中，Γ -金属端，5 陶瓷端，7-夹具，8-推头。
【具体实施方式】
[0035] 下述实施例仅用于对本发明进行详细说明，但应理解的是本发明的范围并不限于 下述实施例。
[0036] 实施例1
[0037]本实施例中使用的各配件如下：
[0038] 待焊陶瓷:Al2〇3陶瓷。
[0039] 待焊金属：lCrl8Ni9Ti不锈钢。
[0040]泡沫金属:Ni泡沫金属，其孔径为0.1mm、孔隙率为90%，其形貌特征如附图2所示。 [0041 ]钎料:Ag-Cu-Ti钎料，其配比为Ag: 26 · 77wt %，Cu: 68 · 83wt %，Ti : 4 · 4wt %。
[0042] 1)将上述泡沫金属加工成Φ lOmmX 0.2mm的圆片（即圆片的直径为10mm，厚度为 0.2mm)，作为泡沫金属层;将上述钎料加工成Φ 10mmXO. 1mm的两个圆片，分别作为上钎料 层和下钎料层。
[0043] 2)将上述待焊陶瓷和待焊金属加工成〇10mmX5mm的尺寸，用400#、600#、800#、 1000#水砂纸逐级打磨待焊表面，去除加工表面的毛刺及氧化膜。
[0044] 3)将上述步骤1)和2)加工完成的待焊陶瓷、待焊金属、上、下钎料层与泡沫金属层 放入丙酮中，超声清洗lOmin