一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法与流程

本发明涉及一种中间层辅助钎焊的方法。

背景技术：

陶瓷材料因其较低的密度，极高的强度与硬度，出众的热稳定性与耐热冲击性能，广泛应用于航空航天、汽车、化工、电子领域，常作为耐热、耐腐蚀、功能部件与轻量化制造。因其自身脆性较大，常需与金属连接避免机械加工，满足实际需求。由于陶瓷与金属物理化学性质差异较大，多数连接方法常因无法熔化母材、形成大量脆性化合物或导致复杂结构变形而无法应用。钎料因其操作简单、成本低廉、依靠液态钎料进行连接无需熔化母材，可充分填充复杂结构界面而广泛引用于异种材料连接。针对陶瓷-金属复合接头，常采用含活性元素的钎料对二者进行有效的润湿与冶金结合。然而，活性钎焊方法仍面临一些问题：一、陶瓷与金属的热膨胀系数差异较大，常在焊后形成较大的残余应力。二、活性元素的引入会导致焊缝中形成大量的连续脆性化合物，影响接头塑性与承载能力。

为缓解残余应力通常将低膨胀系数的增强体与钎料混合制备复合钎料降低焊缝热膨胀系数，形成从陶瓷到金属方向上热膨胀系数梯度过渡，缓解接头残余应力。但由于传统增强体多与活性元素反应，导致焊缝中活性元素大量降低，将导致钎料与陶瓷基体、增强体的润湿减弱，形成裂纹、未焊合等缺陷，所以增强体的添加量较低，由于其热膨胀系数仍为正值，则对焊缝残余应力的缓解程度有限。并且其与活性元素形成的化合物反而会加剧焊缝的脆性倾向。为提高增强体添加量来对焊缝热膨胀系数进行缓解，多孔陶瓷或三维结构陶瓷中间层常被引用进行辅助钎焊，多孔陶瓷相对同等质量的陶瓷颗粒具有较小的比表面积，但其数值仍较大，当钎料活性元素含量较低，钎料将无法充分填充多孔陶瓷，形成未焊合，而当提高钎料活性元素含量，其将与多孔陶瓷产生剧烈反应，不仅形成高热膨胀系数的化合物削弱多孔陶瓷作用，并且焊缝中脆性化合物将更为连续的形成，严重威胁接头质量。现有技术tc4合金板材与sic陶瓷钎焊，剪切强度仅为80mpa～120mpa。

技术实现要素：

本发明要解决现有陶瓷材料与钛合金钎焊连接中，因热膨胀系数差异造成的残余应力过大，增强体添加量不足、易反应消耗活性元素降低接头性能的问题，而提供一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法。

一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法是按以下步骤进行的：

一、利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，然后将多孔负膨胀陶瓷中间层浸渍于浓度为0.1mol/l～2mol/l的酚醛丙酮溶液中，浸渍0.5h～4h后烘干，得到酚醛/多孔陶瓷中间层，将酚醛/多孔陶瓷中间层浸渍于钛酸丁酯中0.5min～10min，然后取出并沥干多余溶液，再置于水蒸气中2min～30min，烘干，得到tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层，最后将tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层置于氩气炉中退火，退火温度为1000℃～1500℃，退火时间为1h～8h，然后随炉冷却至室温，得到tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层；

所述的多孔负膨胀陶瓷中间层的孔隙密度为20ppi～50ppi，厚度为50μm～200μm；

二、对待焊金属及待焊陶瓷表面进行机械磨平，化学清理去除待焊表面油污与污染杂质，得到预处理后的金属及预处理后的陶瓷，将钎料粉末涂布于tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层上，然后置于预处理后的金属与预处理后的陶瓷之间，得到陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材，将陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材置于真空炉中进行钎焊，钎焊温度为700℃～1300℃，保温时间为5min～40min，最后冷却至室温，即完成了多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法。

原理：对于应用于钎焊的增强体要满足以下几个条件：一、热膨胀系数要尽量低，具备更大的热膨胀系数调控能力；二、添加量要大幅增加，提高热膨胀系数调节效果，扩大调节区间；三、与钎料润湿良好，避免过度反应形成连续脆性化合物，不影响钎料与陶瓷基体的润湿与反应。负膨胀系数材料因其受热产生体积收缩，相比传统正值增强体具有更强的热膨胀系数调节能力。通过将其制备成多孔中间层可有效提高添加量，可避免因增强颗粒混合不均导致的团聚等问题，并且钎料渗入其中可有效避免脆性化合物的连续形成，将直线断裂路径变为曲折路径，提高断裂能量。但其仍面临与活性元素反应的情况，直接添加将影响其负膨胀性能的发挥；并且多孔结构尺寸明显大于颗粒尺寸，根据残余应力正比于结构尺寸，将导致负膨胀陶瓷与钎料界面形成极大的应力集中，影响界面结合形成裂纹等缺陷，削弱增强效果。若在多孔陶瓷表面形成致密的过渡层，不仅可保证陶瓷的负膨胀特性并改善钎料与多孔陶瓷的润湿性，而且可以通过调节镀层的热膨胀系数调节界面的应力集中现象。所以镀层采取双层制备，首先通过在多孔陶瓷表面涂覆一层酚醛树脂，并通过之后的退火过程形成一层致密的碳层，由于碳的热膨胀系数趋近于0，可以形成有效的热膨胀系数的梯度过渡。由于之后要在碳层表面制作亲金属层，酚醛不预先退火，依靠其自身的基团吸附钛酸丁酯保证层结构的紧密结合与均匀铺展。由于钎料活性元素以钛元素为主，以钛化物作为外层可以有效保证钎料的润湿性，并不再需要钛活性元素，防止钎料与陶瓷基体等发生润湿不良。tic由于其具有较低的热膨胀系数(7.4◇10^-6k^-1)与ti元素、c元素亲和力较好，可最为最外层的选择。单纯通过涂覆tic颗粒制备薄膜工艺复杂，并且对于多孔结构难以制备全覆盖、致密薄膜，所以应采用原位合成工艺。首先将钛酸丁酯涂覆与酚醛表面，暴露于水蒸气中会使得钛酸丁酯水解形成纳米tio2颗粒，进过之后的退火过程，酚醛会首先热解为c，之后在高温区c与tio2将发生碳热还原反应，制备出tic。由于tic呈现水平形核的特点，其将形成致密的外层覆盖在碳层表面。最终形成具有双层结构的多孔中间层，不仅可保证与钎料的润湿性，还可形成梯度过渡，避免应力集中的形成。

因此，本发明采用多层多孔负膨胀陶瓷作为中间层，此方法可提高增强体添加量，并保持增强体负膨胀特性，保证钎料向多孔陶瓷中的渗入与润湿。多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊具有诸多优点：一、多孔负膨胀系数陶瓷从自身负膨胀性能与含量的两个方面均可对焊缝热膨胀系数进行有效调节，保证陶瓷到金属热膨胀系数的梯度过渡；二、多孔结构不仅可使得增强体呈现三维分布保证分散的均匀性，而且可以有效控制焊缝中脆性化合物的尺寸，防止其连续形成；三、多孔材料外部镀层可有效引导钎料渗入防止未焊合出现，并且不影响钎料活性及其焊接性能，而且梯度过渡层可有效缓解钎料自身与中间层的界面应力集中，防止高应力产生，确保载荷传递，提高增强效果。故多孔负膨胀陶瓷辅助钎焊多方面良好的解决了上述陶瓷与钛合金连接的种种关键问题。

本发明的有益效果是：

1、多孔负膨胀结构从热膨胀系数与含量的双重调节角度有效控制接头残余应力，实现接头热膨胀系数梯度过渡，有效控制残余应力的产生。

2、多孔结构可保证负膨胀材料在焊缝中的分布情况，并细化焊缝中脆性相，防止其连续形成。

3、多层镀层可在不影响钎料活性的情况下保证其充分填充多孔结构，并增强界面结合，防止应力集中的产生，保证载荷的有效传导。

4、本发明钎焊陶瓷与钛合金接头强度良好，未有明显可见的裂纹等缺陷，多孔界面与钎料结合良好，剪切强度增加至145mpa以上，平均可提升76.8％以上。

本发明用于一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法。

附图说明

图1为实施例一步骤一制备的多孔负膨胀陶瓷中间层的金相图；

图2为实施例一制备的多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊金属-陶瓷材料的钎焊接头中tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层与钎料粉末界面的扫描电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法是按以下步骤进行的：

一、利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，然后将多孔负膨胀陶瓷中间层浸渍于浓度为0.1mol/l～2mol/l的酚醛丙酮溶液中，浸渍0.5h～4h后烘干，得到酚醛/多孔陶瓷中间层，将酚醛/多孔陶瓷中间层浸渍于钛酸丁酯中0.5min～10min，然后取出并沥干多余溶液，再置于水蒸气中2min～30min，烘干，得到tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层，最后将tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层置于氩气炉中退火，退火温度为1000℃～1500℃，退火时间为1h～8h，然后随炉冷却至室温，得到tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层；

所述的多孔负膨胀陶瓷中间层的孔隙密度为20ppi～50ppi，厚度为50μm～200μm；

二、对待焊金属及待焊陶瓷表面进行机械磨平，化学清理去除待焊表面油污与污染杂质，得到预处理后的金属及预处理后的陶瓷，将钎料粉末涂布于tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层上，然后置于预处理后的金属与预处理后的陶瓷之间，得到陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材，将陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材置于真空炉中进行钎焊，钎焊温度为700℃～1300℃，保温时间为5min～40min，最后冷却至室温，即完成了多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法。

本实施方式步骤一中置于水蒸气中2min～30min目的为使钛酸丁酯充分水解。

本实施方式的有益效果是：1、多孔负膨胀结构从热膨胀系数与含量的双重调节角度有效控制接头残余应力，实现接头热膨胀系数梯度过渡，有效控制残余应力的产生。

2、多孔结构可保证负膨胀材料在焊缝中的分布情况，并细化焊缝中脆性相，防止其连续形成。

3、多层镀层可在不影响钎料活性的情况下保证其充分填充多孔结构，并增强界面结合，防止应力集中的产生，保证载荷的有效传导。

4、本实施方式钎焊陶瓷与钛合金接头强度良好，未有明显可见的裂纹等缺陷，多孔界面与钎料结合良好，剪切强度增加至145mpa以上，平均可提升76.8％以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的多孔负膨胀陶瓷中间层为多孔负膨胀zr2p2wo12陶瓷中间层或多孔负膨胀lialsio4陶瓷中间层。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述的待焊金属为tc4合金板材、ti600板材、ti2alnb合金板材、tial板材或nb板材。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的待焊陶瓷为si3n4陶瓷、sic陶瓷、sio2陶瓷、sio2-bn复合陶瓷或al2o3陶瓷。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的钎料粉末为agcuti钎料、ticu钎料、tini钎料或tizrnicu钎料。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，具体是按以下步骤进行的：将负膨胀系数陶瓷颗粒、硝化纤维、乙二醇与去离子水混合，得到浆料，再将聚氨酯海绵浸渍于浆料中，捞出后沥出多余浆料，烘干去除水分，得到承载浆料的聚氨酯海绵，然后将承载浆料的聚氨酯海绵置于马弗炉中，在温度为1000℃～1500℃的条件下，保温1h～5h，冷却后，得到多孔负膨胀陶瓷中间层；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与硝化纤维的质量比为1:(0.005～0.02)；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与乙二醇的质量比为1:(0.01～0.02)；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与去离子水的质量比为1:(0.2～0.4)；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒为zr2p2wo12陶瓷颗粒或lialsio4陶瓷颗粒。其它与具体实施方式一至五相同。

本具体实施方式在温度为1000℃～1500℃的条件下，保温1h～5h，目的为烧去聚氨酯海绵。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，然后将多孔负膨胀陶瓷中间层浸渍于浓度为1mol/l～2mol/l的酚醛丙酮溶液中，浸渍1h～4h后烘干，得到酚醛/多孔陶瓷中间层，将酚醛/多孔陶瓷中间层浸渍于钛酸丁酯中2min～10min，然后取出并沥干多余溶液，再置于水蒸气中10min～30min，烘干，得到tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层，最后将tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层置于氩气炉中退火，退火温度为1300℃～1500℃，退火时间为2h～8h，然后随炉冷却至室温，得到tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，然后将多孔负膨胀陶瓷中间层浸渍于浓度为0.1mol/l～1mol/l的酚醛丙酮溶液中，浸渍0.5h～1h后烘干，得到酚醛/多孔陶瓷中间层，将酚醛/多孔陶瓷中间层浸渍于钛酸丁酯中0.5min～2min，然后取出并沥干多余溶液，再置于水蒸气中2min～10min，烘干，得到tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层，最后将tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层置于氩气炉中退火，退火温度为1000℃～1300℃，退火时间为1h～2h，然后随炉冷却至室温，得到tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤一中所述的多孔负膨胀陶瓷中间层的孔隙密度为40ppi～50ppi，厚度为100μm～200μm。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中钎焊温度为880℃～1300℃，保温时间为10min～40min。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法是按以下步骤进行的：

一、利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，然后将多孔负膨胀陶瓷中间层浸渍于浓度为1mol/l的酚醛丙酮溶液中，浸渍1h后烘干，得到酚醛/多孔陶瓷中间层，将酚醛/多孔陶瓷中间层浸渍于钛酸丁酯中2min，然后取出并沥干多余溶液，再置于水蒸气中10min，烘干，得到tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层，最后将tio2/酚醛/多孔陶瓷中间层置于氩气炉中退火，退火温度为1300℃，退火时间为2h，然后随炉冷却至室温，得到tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层；

所述的多孔负膨胀陶瓷中间层的孔隙密度为40ppi，厚度为200μm；

二、对待焊金属及待焊陶瓷表面进行机械磨平，化学清理去除待焊表面油污与污染杂质，得到预处理后的金属及预处理后的陶瓷，将钎料粉末涂布于tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层上，然后置于预处理后的金属与预处理后的陶瓷之间，得到陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材，将陶瓷/钎料粉末-多孔中间层/金属板材置于真空炉中进行钎焊，钎焊温度为880℃，保温时间为10min，最后冷却至室温，得到多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊金属-陶瓷材料，即完成了多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊的方法。

步骤一中所述的多孔负膨胀陶瓷中间层为多孔负膨胀zr2p2wo12陶瓷中间层。

步骤二中所述的待焊金属为tc4合金板材。

步骤二中所述的待焊陶瓷为sic陶瓷。

步骤二中所述的钎料粉末为agcuti钎料。

步骤一中所述的利用聚氨酯模板法制备多孔负膨胀陶瓷中间层，具体是按以下步骤进行的：将负膨胀系数陶瓷颗粒、硝化纤维、乙二醇与去离子水混合，得到浆料，再将聚氨酯海绵浸渍于浆料中，捞取后沥出多余浆料，烘干去除水分，得到承载浆料的聚氨酯海绵，然后将承载浆料的聚氨酯海绵置于马弗炉中，在温度为1200℃的条件下，保温4h，冷却后，得到多孔负膨胀陶瓷中间层；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与硝化纤维的质量比为1:0.01；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与乙二醇的质量比为1:0.01；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒与去离子水的质量比为1:0.4；所述的负膨胀系数陶瓷颗粒为zr2p2wo12陶瓷颗粒。

图1为实施例一步骤一制备的多孔负膨胀陶瓷中间层的金相图。由图可知，所制备的多孔中间层孔洞通透，利于钎料渗入，中间层孔壁完整不会产生结构破坏，中间层呈现三维结构，保证陶瓷的在焊缝中的均匀分布。

图2为实施例一制备的多孔负膨胀陶瓷中间层辅助钎焊金属-陶瓷材料的钎焊接头中tic/c/多孔负膨胀陶瓷中间层与钎料粉末界面的扫描电镜图。由图可知，tic/c层可有效防止钎料与负膨胀陶瓷进行反应，并且tic层与钎料结合良好保证应力传递，由于c层的热膨胀系数过度作用，使得负膨胀陶瓷与钎料界面完整无裂纹与孔洞可见。

本实施例制备的陶瓷与钛合金接头强度良好，未有明显可见的裂纹等缺陷，多孔界面与钎料结合良好，剪切强度增加至145mpa，平均可提升76.8％，明显由于传统改善方法的接头强度(80mpa～120mpa)。