一种k9玻璃与钛金属低温连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及玻璃与金属的连接，具体地说是一种特别适用于光学窗口、观察窗等的Κ9玻璃与钛金属低温连接方法。
【背景技术】
[0002]在光学窗口的装配和使用过程中，窗口需要在其端部和玻璃拼接处与金属基体实现可靠连接，并抑制连接窗口内部的杂散光以及消除平板连接处高速飞行与空气磨擦产生的热梯度等问题。目前常采用的金属基体为钛金属，其具有高比强度、比刚度，良好的抗氧化性及优异的高温和低温力学性能等优点，在航空、航天、军事和民用领域具有广阔的应用前景。
[0003]Κ9玻璃与钛金属在化学键型、微观结构、物理性质和力学性能方面均存在极大的差异，为二者之间高质量连接提出了巨大的挑战。与钛金属相比，玻璃材料的应变点和软化点相对较低，因此实现Κ9玻璃与钛金属的有效连接，存在以下难点:(I)高空中光学窗口服役在低温环境，常用的软钎料Pb基、Sn基钎料以及PbSn共晶合金钎料在低温下力学性能将产生突变，因此不能应用于低温环境中；(2)钎料在玻璃表面很难润湿、铺展；(3)对力学性能和热膨胀系数有很高的要求，Ge基、Al基、Cu基和Ag基等钎料在加热和冷却过程中会出现较大的应力梯度，从而产生残余应力，特别是对于尺寸较大或结构复杂的玻璃/金属复合构件的钎焊，这一问题显得尤为突出，目前常采用添加应力缓冲层或中间层的方法来缓解接头的残余应力，但缓冲层的增多使施焊工艺复杂，钎缝变宽，工程应用适应性大大受限。因此，如何解决上述玻璃/金属异种材料连接的难点一直是焊接工作者的研宄热点。
[0004]如何实现Κ9玻璃与钛金属异种材料可靠连接成为光学窗口复合结构制备成型的关键技术。目前光学窗口复合结构制备成型主要采用以下两种典型工艺。
[0005](一)一种热封压技术(如中国发明专利93101627.4)，利用该技术，可以在较低的温度下，对集热管的玻璃法兰端面与金属端盖间通过一种Pb基钎料进行固态封接，即在焊接材料保持固态的状态下通过适当的加压，使其封接在一起。这样，不仅使工艺大大简化，同时也解决了玻璃管材料和与之封接的金属材料之间膨胀系数不匹配所造成的困难。然而这种工艺生产设备复杂、玻璃结构受限等，影响连接质量。
[0006](二)为了提高连接强度，另外一种方法逐渐获得应用，将多层玻璃和金属采用共阳极场致扩散进行快速连接的方法。
[0007]即先将玻璃与金属对叠后置于直流电场的真空连接炉中，并加热至一定温度并保持一段时间后；玻璃发生键合反应形成键合，键合完成，连接体随连接炉冷却，(如中国专利授权号为1974462Β的公开文献)，这样玻璃与金属之间以离子键结合，提高连接强度。然而，如果玻璃与金属的热膨胀系数差异大的话，由于玻璃与金属间的连接层残余应力高，导致玻璃与金属脱落的现象，影响产品质量。
【发明内容】
[0008]本发明为了解决现有K9玻璃与钛金属低温连接后结合强度低，容易脱落以及使用寿命短等问题，提供以一种连接后结合强度高、不易脱落新型的Κ9玻璃与钛金属低温连接方法。
[0009]本发明可以通过如下措施达到:
一种Κ9玻璃与钛金属低温连接方法，其特征在于步骤如下:
(一)、制备含活性元素Ti的铋酸盐粉末状的复合焊料，复合焊料由氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉和Ti粉混合而成，各组成成份的重量百分比为氧化铋粉20~98.5%、氧化硼粉0.5~30%、氧化锌粉0.5~30%、氧化钙粉0.5-30%, Ti粉0.5-10%,各组成成份的重量百分比之各和等于100%，其粒度为300-600 μπι ;
(二)、然后将复合焊料置于钛金属与Κ9玻璃之间，复合焊料的厚度为0.005-0.50mm，钛金属、复合焊料和K9玻璃之间形成三明治装配，将装配好的试样置于电阻炉中加热至200~600° C，保温时间不超过30min，随炉冷却至室温；
(三)、将试样取出后置于真空连接炉中，真空连接炉设有电压为100~700V的直流电场，温度为300~600° C，同时施加垂直于试样平面的压力为5~40Pa，真空度10-3~10_2Pa ;保温时间不超过120min，实现K9玻璃与钛金属有效连接，随炉冷却至室温取出，完成K9玻璃与钛金属低温连接。
[0010]本发明所述的氧化物粉末质量纯度为90~99.95%，颗粒大小为1~100 μπι。
[0011]本发明所述的复合焊料通过以下步骤制备:
(一)备料:按重量百分比称取氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉以及Ti粉；
(二)球磨:将称好的氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉以及Ti粉一同装入球磨罐中，球料比为10~25: 1、填料比为30%~55%;抽真空后充入氩气后球磨，球磨时间为l~8h、转速比为100~250r/min ;球磨结束后将球磨球取出并得到复合焊料。
[0012]本发明所述的钛金属与K9玻璃之间的复合焊料置厚度为0.05-0.50mm，钛金属、复合焊料和K9玻璃之间形成三明治装配，将装配好的试样置于电阻炉中加热至380~420° C，保温不超过18min，随炉冷却至室温。
[0013]本发明所述的真空连接炉设有电压为350V的直流电场，温度为500° C，同时施加垂直于试样平面的压力为35Pa，真空度10-3~10_2Pa ;保温时间为60_80min，实现K9玻璃与钛金属有效连接，随炉冷却至室温取出，完成K9玻璃与钛金属低温连接。
[0014]本发明不仅解决了 K9玻璃与钛金属连接接头强度低、容易脱落等问题，而且利用反应生成的T1jg高模量、低热膨胀的特点以及降低接头的热膨胀系数，有效缓解接头与金属母材间的热应力，通过有效控制接头反应产物的含量及分布还可实现接头在热物理性能方面的梯度过渡，进一步缓解热应力，从而从根本上控制玻璃与金属的连接质量，本发明具有操作简单、绿色环保、工作效率高、工艺稳定等优点。
【具体实施方式】
[0015]下面对本发明作进一步描述:
一种K9玻璃与钛金属低温连接方法，其特征在于步骤如下:
(一)、制备含活性元素Ti的铋酸盐粉末状的复合焊料，复合焊料由氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉和Ti粉混合而成，各组成成份的重量百分比为氧化铋粉20~98.5%、氧化硼粉0.5~30%、氧化锌粉0.5~30%、氧化钙粉0.5-30%, Ti粉0.5-10%,各组成成份的重量百分比之各和等于100%，其粒度为300-600 ym ; (二)、然后将复合焊料置于钛金属与K9玻璃之间，复合焊料的厚度为0.005-0.5mm，钛金属、复合焊料和K9玻璃之间形成三明治装配，将装配好的试样置于电阻炉中加热至200~600° C，保温时间不超过30min，随炉冷却至室温；(三)、将试样取出后置于真空连接炉中，真空连接炉设有电压为100~700V的直流电场，温度为300~600° C，同时施加垂直于试样平面的压力为5~40Pa，真空度10_3~10_2Pa ;保温时间不超过120min，实现K9玻璃与钛金属有效连接，随炉冷却至室温取出，完成K9玻璃与钛金属低温连接。
[0016]本发明所述的氧化物粉末质量纯度为90~99.95%，颗粒大小为1~100 μπι;氧化物粉末是指氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉；所述的复合焊料通过以下步骤制备:(一)备料:按重量百分比称取氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉以及Ti粉；(二)球磨:将称好的氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉以及Ti粉一同装入球磨罐中，球料比为10~25: 1、填料比为30%~55% ;抽真空后充入氩气后球磨，球磨时间为l~8h、转速比为100~250r/min ;球磨结束后将球磨球取出并得到复合焊料；所述的钛金属与K9玻璃之间的复合焊料置厚度为0.05-0.50mm，钛金属、复合焊料和K9玻璃之间形成三明治装配，将装配好的试样置于电阻炉中加热至380~420° C，保温不超过18min，随炉冷却至室温，所述的真空连接炉设有电压为350V的直流电场，温度为500° C，同时施加垂直于试样平面的压力为35Pa，真空度10-3~10_2Pa ;保温时间为60_80min，实现K9玻璃与钛金属有效连接，随炉冷却至室温取出，完成K9玻璃与钛金属低温连接，本发明不仅解决了 K9玻璃与钛金属连接接头强度低、容易脱落等问题，而且利用反应生成的T1jg高模量、低热膨胀的特点以及降低接头的热膨胀系数，有效缓解接头与金属母材间的热应力，通过有效控制接头反应产物的含量及分布还可实现接头在热物理性能方面的梯度过渡，进一步缓解热应力，从而从根本上控制玻璃与金属的连接质量，本发明具有操作简单、绿色环保、工作效率高、工艺稳定等优点。
[0017]实施例1:本实施方式的步骤如下:(一)备料:按重量百分比称取50%的氧化铋粉、15%的氧化硼粉、15%的氧化锌粉、15%的氧化钙粉以及5%的Ti粉，其中Ti粉质量纯度为99.90%，颗粒大小为400 μπι; (二)球磨:将称好的氧化铋粉、氧化硼粉、氧化锌粉、氧化钙粉以及Ti粉一同装入球磨罐中，球料比为18: 1、填料比为42%;抽真空后充入氩气，然后球磨为4小时、转速比为200r/min ;球磨结束后将球磨球取出即得到了应用于K9玻璃与钛金属低温连接。(三)将含Ti的铋酸盐复合焊料置于K9玻璃与钛金属之间，含Ti的铋酸盐复合焊料厚度为0.08mm，在空气条件下加热至450° C，保温时间为90min，随炉冷却至室温后取出。(四)将取出后的试样放置于电压为500V的直流电场的真空连接炉中，连接温度为450° C，连接压力为25Pa，真空度KT2Pa ;保温时间90min，实现K9玻璃与钛金属有效连接，随炉冷却至室温取出；加热速度:50° C/min，冷却速度:20° C/min。
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