专利名称：一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷与陶瓷高温连接的方法，特别涉及一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间
的高温液相连接方法。
背景技术：
目前，关于陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属之间的连接，主要考虑连接件结构的强度、耐 高温能力、可靠性、制造成本等因素。对于SiC陶瓷的高温连接主要包括钎焊、扩散焊、自蔓 延高温合成等技术方法。关于SiC陶瓷的活性钎焊，一般采用的钎料主要包括Ag基、Cu基、 Ni基、Pd基等。然而，由于SiC陶瓷在高温条件下可以和绝大多数金属元素发生强烈的化 学反应，在接头界面形成脆性的硅化物、碳化物、含硅和碳的三元化合物，容易形成裂纹，从 而导致接头失效。关于SiC陶瓷的扩散焊，尽管扩散焊具有易于制备耐热耐蚀接头，接头密 封性较好及接头质量稳定等优点，但它对连接表面的加工和连接设备的要求很高，不适合 连接大部件，需要大的连接压力。而对于SiC陶瓷的自蔓延高温合成技术，同样面临高界面 反应性、较大连接压力以及装架复杂等问题。 近年来， 一些国外研究者从事过相关SiC陶瓷的非反应或低反应高温钎焊研究， 如只采用Si-17Pr、 Si-22Ti、 Si-16Ti、 Si-18Cr、 Si-44Cr和SiCr2等合金或化合物直接用 作钎料对SiC陶瓷和SiC陶瓷的高温连接。但由于其1含Si太高，合金脆性较大，在钎焊 过程中或多或少地在焊料层内存在较多的裂纹，同时也存在高温易氧化的问题，实际应用 的可能性较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其连 接结构牢固、可靠，而且工艺简单、制造成本低。 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。 —种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其特征在于，包括下述步骤
(1)制备Ni-Si膏剂将Ni-Si合金粉末滚混球磨、过筛，装入玻璃瓶中，再加入草 酸乙二酯和胶棉溶液，搅拌至少30min，制成Ni-Si膏剂，待用； (2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片将两个对接的SiC陶瓷的连接面依次磨平、抛 光、清洗和干燥，再裁剪加工Mo片与SiC陶瓷连接面大小相适应，并清洗和干燥；
(3)涂敷Ni-Si膏剂在两个对接的SiC陶瓷的连接面分别涂敷Ni-Si膏剂层，或 在Mo片的两表面分别涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干； (4)装配及高温连接将Mo片置于两个对接的SiC陶瓷的连接面之间，施压固定， 然后在真空炉中，加热至1330 1400°C，保温5 30min，冷却至室温，即可。
上述方案中，所述制备Ni-si合金膏剂中，Ni-si合金粉末草酸乙二酯胶棉
溶液的配比为(3 4)g : (4 6)ml : (6 8)ml;所述Ni-Si合金粉末中含Si量为 40at. % 60at. % (原子数百分比)；在真空炉中，真空度优于1 X 10—屮a条件下即可。
本发明与现有技术相比，其优点在于1)陶瓷界面具有低反应性和强结合特性 由于含Si量较高(> 40at. % )的Ni-Si合金对SiC陶瓷具有优良的非反应高温润湿性和 在Mo表面极好的铺展特性，通过合金组成和连接工艺等调控，在高温连接过程中，中间层 Mo和Ni-Si涂层通过相互作用，可以提升Ni-Si合金在SiC表面的润湿性和铺展速度，消除 Ni-Si层内大部分裂纹，保持中间层与SiC部件之间的低反应性，增加Ni-Si涂层与SiC陶 瓷界面的结合强度；2)连接工艺经济，可高温应用该工艺为高温液相连接工艺，对连接设 备和工艺要求低，且中间层组成相为高温相，可以应用于高温场合。因此，本发明方制备工 艺简单，经济，可用于大型SiC陶瓷的连接和规模化生产；而且制备的连接件结构可靠，具 有优良的耐高温性能，可适用于承载和高温的应用场合。
图l、图2、图3分别为本发明实施例l中三种连接温度条件下SiC/SiC接头中SiC/ Ni-Si/Mo界面结构图；其中，图1的连接温度为135(TC;图1的连接温度为1375t:;图3的 连接温度1400°C ;图中:l、SiC陶瓷;2、Ni-Si中间层；3、Mo。
具体实施例方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1 圆片状的SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，具体包括以下步骤
(1)制备Ni-Si膏剂将Ni-56Si合金粉末(Si的原子数百分含量为56at. % )加 无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，装入玻璃瓶中，再加入草酸乙二酯，超声均匀化 处理20min，然后再往瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少30min，制成Ni-Si 膏剂，待用；其中Ni-56Si粉末草酸乙二酯胶棉溶液=4g : 6ml : 8ml。
(2)SiC陶瓷和Mo片的前处理将等离子活化烧结(PAS)的SiC陶瓷片，其中陶瓷 以6% A1203和4% Y203为烧结助剂，尺寸为①15X3mm，依次将其连接面经过在金刚石磨盘 上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘箱内干燥。将厚为100 ii m的大Mo片，裁剪加工为①15的 薄圆片，并依次经过双面轻微抛光、清洗和干燥。 (2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片将等离子活化烧结(PAS)的SiC陶瓷片，其中陶
瓷以6% Al^和4% Y203为烧结助剂，尺寸为①15X3mm的SiC陶瓷，将两个对接的SiC陶
瓷的连接面依次在金刚石磨盘上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘箱内干燥，再将厚为100 ym
的Mo片裁剪加工为①15的薄圆片，并依次经过双面轻微抛光、清洗和干燥。 (3)涂敷Ni-Si膏剂在Mo片的两表面分别涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干(晒干
或风干)。 (4)装配将Mo片置于两个对接的SiC陶瓷的连接面之间，附加压力约lKPa进行 装配固定。 (5)高温连接按上述步骤(1) (4)准备3组试样，将装配好的每组试样分别置 于真空炉内，在真空度优于1X10—屮a条件下，分别以l(TC min的升温速率加热至1330°C、 135(TC和135(TC，分别保温10min、5min和30min，再以《5°C /min的降温速率缓慢冷却至 室温，取出。
(6)制作强度试验试样，将制作的3组SiC陶瓷与SiC陶瓷的接头分别切割成长 lOmmX宽6mmX厚6mm试样，采用剪切载荷的方法分别测试试样的连接强度。结果表明，接 头强度均大于40MPa，且各接头均从陶瓷体内断裂。 另外，参照图1、图2、图3，从接头界面显微结构可以看出，在SiC/中间层之间界面 清晰，没有明显的反应产物，表明该高温连接方法为低反应连接。
实施例2 圆片状的Si/SiC陶瓷与Si/SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，具体包括以下步 骤 (1)制备Ni-Si膏剂将Ni-40Si合金粉末(Si的原子数百分含量为40at. % )加 无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，装入玻璃瓶中，再加入草酸乙二酯，超声均匀化 处理20min，然后再往瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少30min，制成Ni-Si 膏剂，待用；其中Ni-40Si合金粉末草酸乙二酯胶棉溶液=3g : 4ml : 8ml。
(2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片将反应烧结两个Si/SiC陶瓷片，加工成约 ①15X5mm SiC陶瓷，将两个对接的SiC陶瓷的连接面依次在金刚石磨盘上磨平、抛光、无 水乙醇清洗和烘箱内干燥，再将厚为lOOym的Mo片裁剪加工为①15的薄圆片，并依次经 过双面轻微抛光、清洗和干燥。 (3)涂敷Ni-Si膏剂在Mo片的两表面分别涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干(晒干 或风干)。 (4)装配将Mo片置于两个对接的SiC陶瓷的连接面之间，附加压力约lOKPa进 行装配固定。 (5)高温连接按上述步骤(1) (4)准备3组试样，将装配好的每组试样分别置 于真空炉内，在真空度优于1X10—屮a条件下，分别以5°C /min的升温速率加热至1330°C、 135(TC和135(TC，分别保温10min、5min和30min，再以《5°C /min的降温速率缓慢冷却至 室温，取出。 (6)制作强度试验试样，将制作的3组SiC陶瓷与SiC陶瓷的接头分别切割成长 10mmX宽10mmX厚6mm试样，采用剪切载荷的方法分别测试试样的连接强度。结果表明， 接头强度为50MPa-100MPa，且在SiC/中间层之间界面清晰，没有明显的反应产物。
实施例3 圆片状的SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，具体包括以下步骤
(1)制备Ni-Si膏剂将Ni-56Si合金粉末(Si的原子数百分含量为56at. % )加 无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，装入玻璃瓶中，再加入草酸乙二酯，超声均匀化 处理20min，然后再往瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少30min，制成Ni-Si 膏剂，待用；其中Ni-56Si合金粉末草酸乙二酯胶棉溶液=3g : 5ml : 7ml。
(2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片将等热等静压(HIP)烧结而成的SiC陶瓷棒，以 1XA1A为烧结助齐U，切割后成约。15X2. 5mm SiC陶瓷，将两个对接的SiC陶瓷的连接面 依次在金刚石磨盘上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘箱内干燥，再将厚为lOOym的Mo片裁 剪加工为①15的薄圆片，并依次经过双面轻微抛光、清洗和干燥。 (3)涂敷Ni-Si膏剂在两个对接的SiC陶瓷的连接面分别涂敷Ni-Si膏剂层，然 后晒干或风干。
4)装配将Mo片置于两个对接的SiC陶瓷的连接面之间，附加压力约lKPa进行 装配固定。 (5)高温连接将装配好的试样置于真空炉内，在真空度优于1 X 10—中a条件下，以 20°C /min的升温速率加热至1350。C，保温10min，再以《5°C /min的降温速率缓慢冷却至 室温，取出。 (6)制作强度试验试样，将制作的SiC陶瓷与SiC陶瓷的接头切割成长lOmmX宽 6mmX厚5mm试样，采用剪切载荷的方法分别测试试样的连接强度。结果表明，接头强度约 为30MPa，且SiC/中间层之间界面清晰，没有明显的反应产物。
权利要求
一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其特征在于，包括下述步骤(1)制备Ni-Si膏剂将Ni-Si合金粉末滚混球磨、过筛，装入玻璃瓶中，再加入草酸乙二酯和胶棉溶液，搅拌至少30min，制成Ni-Si膏剂，待用；(2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片将两个对接的SiC陶瓷的连接面依次磨平、抛光、清洗和干燥，再裁剪加工Mo片与SiC陶瓷连接面大小相适应，并清洗和干燥；(3)涂敷Ni-Si膏剂在两个对接的SiC陶瓷的连接面分别涂敷Ni-Si膏剂层，或在Mo片的两表面分别涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干；(4)装配及高温连接将Mo片置于两个对接的SiC陶瓷的连接面之间，施压固定，然后在真空炉中，加热至1330～1400℃，保温5～30min，冷却至室温，即可。
2. 根据权利要求1所述的一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其特征 在于，所述制备Ni-Si合金膏剂中，Ni-Si合金粉末草酸乙二酯胶棉溶液的配比为(3 4)g : (4 6)ml : (6 8)ml。
3. 根据权利要求1所述的一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其特征 在于，所述Ni-Si合金粉末中Si的原子数百分含量为40at. % 60at. %。
全文摘要
本发明涉及陶瓷与陶瓷高温连接的方法，公开了一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法。它主要包括下述步骤(1)制备Ni-Si膏剂；(2)前处理SiC陶瓷和制作Mo片；(3)涂敷Ni-Si膏剂；(4)装配及高温连接。本发明可实现SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的低反应高温液相连接，而且工艺方法简单、经济，可规模化生产，制备的连接件结构可靠，可用于承载和高温应用的场合。
文档编号C04B37/00GK101709000SQ20091021918
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者乔冠军, 刘桂武, 卢天健, 帕索里尼·阿尔贝托, 瓦伦扎·法必西欧, 默罗·玛丽亚·路易贾 申请人:西安交通大学