陶瓷的连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接方法。
【背景技术】
[0002]TiAl基合金具有轻质、高比强度、高比刚度，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700?1000°C，成为当代航空工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一，具有巨大的工程化应用潜力。
[0003]Ti3SiC2是一种新型层状陶瓷材料，兼有金属和陶瓷的许多优良性能，具备高的热导率和电导率、易加工，同时具有良好的抗热震性、抗氧化性和高温稳定性。在高温结构陶瓷、电极材料、可加工陶瓷材料和自润滑材料等领域有着很好的应用前景。
[0004]由于TiAl基合金与Ti3SiC^瓷各自具有独特的优良性能，且两者的优势可以互补，研究这两种材料的连接方法对于新型空天材料具有明显的意义。特别是对于两种材料组成的复合构件，能显著的提高构件比强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，具有良好的应用前景。此外，将上述两种材料经连接后形成复合材料，可以作为苛刻环境下使用的新型空天材料。例如，通过扩散连接得到的TiAVTi3SiC2复合板不仅继承了 TiAl基合金低密度和良好高温性能的优点，同时也解决了 TiAl基合金耐磨性差和高温抗氧化性不足的问题。TiAl/Ti3SiC2金属-陶瓷复合板可作为满足未来空天飞行器在大气层内外的苛刻使用条件而设计的一材多用的通用型新材料。
[0005]然而两种材料的完美结合是本领域一直未曾解决的技术难题，因此有必要提供一种连接技术，使此种复合材料能得以充分利用。
【发明内容】
[0006]根据上述提出的TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷难以连接的技术问题，而提供一种TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接方法。本发明主要利用Al作为中间层的瞬间液相(Transient Liquid Phase-TLP)扩散连接实现TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷连接。
[0007]本发明采用的技术手段如下:
[0008]—种TiAl基合金与11331(:2陶瓷的连接方法，其特征在于:采用Al作为中间层，通过瞬间液相扩散连接技术将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷连接。
[0009]进一步地，所述中间层采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或Ti3SiC2陶瓷的待连接面上热喷涂或磁控溅射一层金属Al作为中间层。
[0010]进一步地，所述的TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接方法，其特征在于包括如下步骤:
[0011 ] S1、将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷分别加工得到待连接的TiAl基合金试件和11331(:2陶瓷试件，然后对所述TiAl基合金试件与Ti 3SiC2陶瓷试件的待连接面进行抛光处理，然后放入丙酮中超声清洗；
[0012]S2、在TiAl基合金试件与11331(:2陶瓷试件的待连接面之间加入Al作为中间层，组合成TiAl基合金试件-Al中间层-11351(:2陶瓷试件的装配件；
[0013]S3、将所述装配件放置在真空热压装置中，然后通电加热进行扩散连接。
[0014]进一步地，所述步骤S3中整个加热加压过程如下:
[0015]I)升温阶段:以10?40°C /min的速度进行升温到650?950°C，升温阶段压力为O?5MPa ；
[0016]2)保温阶段:升温阶段结束后在650?900°C保温，保温时间为10?120min，保温阶段的压力为5?50MPa ；
[0017]3)降温阶段:保温完成后，连接件随炉冷却，控制冷却速度不大于30°C /min。
[0018]进一步地，当所述中间层为Al箔或经热喷涂或磁控溅射后形成的层结构时，所述中间层厚度为5 μ m?500 μ m，纯度为92 %?99.99 %，表面粗糙度为Ral.6?Ra0.08 ；当所述中间层为Al粉时，所述Al粉的粒度为40-400目，纯度为92%?99.99%。
[0019]本发明选择与TiAl基合金和Ti3SiC2陶瓷都有良好润湿性的金属Al作为中间层材料。由于Al是TiAl基合金的主要成分，Al扩散进入TiAl基合金中可以与形成TiAljP打八13相，与TiAl基合金具有良好的结合能力。而Al扩散进入Ti 3SiC2中可以取代Ti 3SiC2中的Si原子，形成Ti3AlC2A Ti3SiC2结构相似，易于连接，同时Ti 3SiC2中的Si扩散进入Al中间层可以生成共晶相，强化Al中间层。通过Al与TiAl基合金和Al与Ti3SiC2陶瓷的扩散结合实现TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接。
[0020]本发明相对于直接扩散连接TiAl基合金与Ti3SiC2来说具有以下优点:
[0021]在680°C以上时，作为中间层的Al已经处于液态了，活性较高，能和基体快速反应，可以缩短保温时间，降低连接所需温度；同时液态的Al具有流动性，对待连接面上孔洞的良好的填充性能，并且可以很好通过Al中间层在液态时的流动和固态时的塑性变形来减小焊接热应力，避免焊接热应力造成的开裂和接头性能变差。因此，瞬间液相扩散连接相对于直接的扩散连接可以缩短保温时间，降低连接温度，减小扩散连接时所需要的压力，利于实现工业化生产和降低生产成本。本发明与其他采用复合中间层扩散连接TiAl基合金与11351(:2陶瓷的方法相比，具有中间层成分单一，制备工艺简单，价格低廉，易于实现工业化的优点。
【附图说明】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0023]图1是本发明装配件的结构示意图。
[0024]图2是本发明采用Al箔或Al粉形成装配件的示意图。
[0025]图3是本发明在TiAl基合金试件表面经热喷涂或磁控溅射后形成的Al中间层的结构示意图。
[0026]图4是本发明在11351(:2陶瓷试件表面经热喷涂或磁控溅射后形成的Al中间层的结构示意图。
[0027]图中:1、TiAl基合金试件2、Ti3SiC^瓷试件3、A1中间层
【具体实施方式】
[0028]—种TiAl基合金与Ti3SiC^瓷的连接方法，采用Al作为中间层，通过瞬间液相扩散连接技术将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷连接。
[0029]所述中间层采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或！!{仏陶瓷的待连接面上热喷涂或磁控溅射一层金属Al作为中间层。
[0030]实施例1
[0031]如图1，图2所示，一种TiAl基合金与Ti3SiC^瓷的连接方法，包括如下步骤:
[0032]S1、将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷分别用电火花线切割加工得到待连接的尺寸为1mX 1mX 3mm的TiAl基合金试件I和尺寸为IlmX IImX 3mm的1135丨(:2陶瓷试件2，然后对所述TiAl基合金试件I与1133丨(:2陶瓷试件2的待连接面采用200#、400#、600#、1000#的砂纸进行逐级研磨后用1.5 μπι金刚石抛光膏抛光，然后放入丙酮中超声清洗5min?20min，优选清洗15min ；
[0033]S2、将Al箔作为中间层3加入TiAl基合金试件I与11331(:2陶瓷试件2的待连接面之间，组合成TiAl基合金试件1-Al中间层3-11351(:2陶瓷试件2的装配件，其中Al中间层3厚度为100 μm，纯度为99.99%,表面粗糙度为Ra0.2，放入前进行超声清洗；
[0034]S3、将所述装配件放置在热压烧结炉中，先抽真空到30Pa以下，再充入20Kpa的氩气保护，然后通电加热进行扩散连接。
[0035]整个加热加压过程如下:
[0036]I)升温阶段:以10?40°C /min的速度进行升温到800°C，升温阶段压力为3MPa ;
[0037]2)保温阶段:升温阶段结束后在800°C保温，保温时间为30min，保温阶段的压力为 1MPa ；
[0038]3)降温阶段:保温完成后，连接件随炉冷却，控制冷却速度不大于30°C /min。
[0039]通过Al作为中间层3的瞬间液相扩散连接获得的TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接件，实验得到的连接件的接头无宏观裂纹，经过室温剪切强度测试，得到接头的抗剪切强度为18.7MPa。
[0040]实施例2
[0041]本实施例与实施例1不同的是在S2中，不米用Al箔作为中间层3，而是米用Al粉铺在待连接面中间作为中间层3，其中Al粉的粒度为40目到400目，纯度为92?99.99%。
[0042]实施例3
[0043]本实施例与实施例1不同的是在S2中，不采用Al箔作为中间层3，而是在TiAl基合金试件I (或!1351(:2陶瓷试件2)的待连接面上磁控溅射或热喷涂一层金属Al作为中间层3(如图3、图4所示)，其中Al中间层3的厚度为5 μπι?500 μπι，其他条件与实施例1相同。
[0044]实施例4
[0045]本实施例与实施例1不同的是在S3中，抽真空到IX 10 1Pa以下，不充入氩气作为保护，其他条件与实施例1相同。
[0046]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种TiAl基合金与Ti #1(:2陶瓷的连接方法，其特征在于:采用Al作为中间层，通过瞬间液相扩散连接技术将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷连接。2.根据权利要求1所述的TiAl基合金与Ti#1(:2陶瓷的连接方法，其特征在于:所述中间层采用Al箔或者Al粉，或者在TiAl基合金或11351(:2陶瓷的待连接面上热喷涂或磁控溅射一层金属Al作为中间层。3.根据权利要求1或2所述的TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接方法，其特征在于包括如下步骤: S1、将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷分别加工得到待连接的TiAl基合金试件和Ti3SiC2陶瓷试件，然后对所述TiAl基合金试件与11331(:2陶瓷试件的待连接面进行抛光处理，然后放入丙酮中超声清洗； S2、在TiAl基合金试件与11351(:2陶瓷试件的待连接面之间加入Al作为中间层，组合成TiAl基合金试件-Al中间层-11351(:2陶瓷试件的装配件； S3、将所述装配件放置在真空热压装置中，然后通电加热进行扩散连接。4.根据权利要求3所述的TiAl基合金与Ti#1(:2陶瓷的连接方法，其特征在于:所述步骤S3中整个加热加压过程如下: .1)升温阶段:以10?40°C/min的速度进行升温到650?950°C，升温阶段压力为O?.5MPa ； .2)保温阶段:升温阶段结束后在650?900°C保温，保温时间为10?120min，保温阶段的压力为5?50MPa ； . 3)降温阶段:保温完成后，连接件随炉冷却，控制冷却速度不大于30°C/min。5.根据权利要求3所述的TiAl基合金与Ti#1(:2陶瓷的连接方法，其特征在于:当所述中间层为Al箔或经热喷涂或磁控溅射后形成的层结构时，所述中间层厚度为5 μπι?.500 μ m，纯度为92%?99.99%，表面粗糙度为Ral.6?Ra0.08 ;当所述中间层为Al粉时，所述Al粉的粒度为40-400目，纯度为92%?99.99%。
【专利摘要】本发明公开了一种TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接方法，其特征在于：采用Al作为中间层，通过瞬间液相扩散连接技术将TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷连接。具体包括如下步骤：加工得到待连接试件，对其待连接面进行抛光和清洗；在TiAl基合金和Ti3SiC2陶瓷的待连接面中间加入Al中间层组成装配件，Al中间层可采用Al箔或者Al粉，也可以某一基体的连接面上采用热喷涂或磁控溅射制备一层金属Al作为中间层；将装配件放入真空热压装置中，加热到连接温度，保温一段时间后完成扩散连接。本发明实现了TiAl基合金与Ti3SiC2陶瓷的连接，具有耗能少，易于实现工业化的优点。
【IPC分类】C04B37/02
【公开号】CN105016763
【申请号】CN201510451080
【发明人】陈国清, 王琪, 于铁, 付雪松, 付连生
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月27日