一种陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷的钎焊方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种陶瓷/金属及陶瓷/陶瓷钎焊的方法，属于焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]陶瓷是一种很有应用前途的高温结构材料，以Al2O3陶瓷为例，其具有耐高温、耐磨等优异性能。而金属材料一般具有较好的韧性。在一些军事、工业应用领域，需要材料同时具有较好的韧性以及较好的耐高温性能，因此常需要将陶瓷与金属材料或两种不同陶瓷材料连接，组成陶瓷-金属，陶瓷-陶瓷复合材料。这种复合材料有很好的应用前景。
[0003]陶瓷的连接一般可用钎焊或扩散焊的方法，但直接用这些方法连接陶瓷与金属材料或不同的陶瓷材料是十分困难的，这主要是由于两种被焊材料的热膨胀系数差异非常大(Al2O3陶瓷为6.7X10 6K \金属材料为12-41 X 10 6K \两者相差最大达到6倍以上)，这样的差别会导致在高温钎焊或扩散焊结构的冷却过程中，接头处产生很大的残余热应力，进而导致接头在受力时，在界面处出现裂纹，连接强度很低。为了提高陶瓷与金属，陶瓷与陶瓷连接接头的强度，就需要采取合适的措施降低接头处的残余热应力。发明专利(发明人:熊华平，毛唯，程耀永.一种用于51(^/5102复合陶瓷与金属材料钎焊的工艺方法，专利申请日:2010年08月31日，专利号:ZL 2010 I 0266686.0，授权公告日:2012年09月26日；发明人:熊华平，陈波，郭绍庆，毛唯.Si02f/Si02复合陶瓷与金属材料钎焊的方法，专利申请日:2012年10月24日，专利号:ZL 2012 I 0266686.0，授权公告日:2014年01月08日)提出先通过机械加工方法在31(^/5102复合陶瓷的待焊表面开沟槽，并加工出尺寸与数量相匹配的金属镶嵌块，装配后使用AgCu-Ti活性钎料置于Si02f/Si02复合陶瓷待焊表面的沟槽及金属镶嵌块之间处，并在被焊的Si02f/Si02复合陶瓷与被焊的金属材料之间的待焊界面上添加AgCu-Ti钎料，再通过真空钎焊加热方式，实现Si02f/Si02复合陶瓷与金属材料的有效连接。这种方法需包括加工及装配金属镶嵌块步骤，操作相对复杂，虽然可在一定程度上增大接头的连接强度，但在实际加工及应用领域，受到一定的限制。此外，这项专利提出的沟槽尺寸范围为毫米级，对应力释放作用有限，且毫米级沟槽对钎料的润湿性、填充性的作用有限。论文(J.X.X1ng, J.L.Li, F.S.Zhang, et al.Direct joining of 2D carbon/carbon composites to T1-6A1-4V alloy with a rectangular wave interface[J].Materials Science and Engineering A, 488 (2008) 205-213.)报道了一种在碳/碳复合材料上加工周期性矩形沟槽，从而提高其与T1-6A1-4V钎焊接头强度的研究。在论文中，科学家提出这种周期性沟槽缓解焊接热应力的机理。但是同样，这篇报道中的沟槽尺寸为毫米级，且矩形沟槽的边缘处易发生应力集中，促使裂纹产生。另一方面，对较大尺寸的陶瓷与金属材料的钎焊连接，目前缺乏有效的、易于操作的连接工艺方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种能够有效缓解钎焊后焊接接头形成的残余热应力的陶瓷与金属、陶瓷与陶瓷钎焊的工艺方法，旨在进一步改善钎焊接头的残余应力分布状态，减轻因应力集中而产生的开裂倾向，简化毫米级开口槽钎焊的工艺步骤，降低生产成本。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种陶瓷与金属的钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0007]I)在陶瓷的待焊表面加工出周期性或非周期性的开口槽，相邻开口槽之间的距离为Cl1，开口槽的宽度为d2，开口槽的深度为h，d1:d2:h = 1:0.05-1:0.05-1，其中Cl1 =20 μ m ?1000 μ m ；
[0008]2)在陶瓷和金属的待焊表面之间填充活性钎料，然后进行真空钎焊。
[0009]一种陶瓷与陶瓷的钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0010]I)在陶瓷待焊表面的单侧加工出周期性或非周期性的开口槽，或在陶瓷待焊表面的双侧分别加工出周期性或非周期性的开口槽，相邻开口槽之间的距离为Cl1，开口槽的宽度为 d2，开口槽的深度为 h，山:(12:11 = 1:0.05-1:0.05-1，其中 Cl1= 20 μ m ~ 1000 μ m ；
[0011]2)在待焊表面之间填充活性钎料进行真空钎焊，或对待焊表面金属化后填充活性钎料进行真空钎焊。
[0012]一种陶瓷与陶瓷基复合材料的钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0013]I)在陶瓷或陶瓷基复合材料的待焊表面加工出周期性或非周期性的开口槽，或同时在陶瓷和陶瓷基复合材料的待焊表面分别加工周期性或非周期性的开口槽，相邻开口槽之间的距离为(I1，开口槽的宽度为d2，开口槽的深度为h’d^d^h = 1:0.05-1:0.05_1，其中Cl1= 20 μ m ?1000 μ m ；
[0014]2)在待焊表面之间填充活性钎料进行真空钎焊，或对陶瓷和陶瓷基复合材料表面金属化后填充活性钎料进行真空钎焊。
[0015]—种陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料的钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0016]I)在陶瓷基复合材料的待焊表面的单侧加工出周期性或非周期性的开口槽，或在待焊表面的双侧分别加工出周期性或非周期性的开口槽，相邻开口槽之间的距离为山，开口槽的宽度为d2，开口槽的深度为h，d1:d2:h = 1:0.05-1:0.05-1，其中Cl1= 20μπι?1000 μm ；
[0017]2)在待焊表面之间填充活性钎料进行真空钎焊，或对陶瓷基复合材料表面金属化后填充活性钎料进行真空钎焊。
[0018]优选地，所述周期性或非周期性开口槽的两壁面和下底面之间平滑过渡收窄，开口槽截面呈近半圆形、四边形、“U”形或“V”形；槽与槽之间平行或交叉布置；所述的交叉布置采用槽与槽之间相互垂直呈网格状分布。
[0019]优选地，所述周期性或非周期性开口槽的比例关系为d1:d2:h =1:0.05-0.4:0.05-0.4，其中 Cl1= 50 μ m_500 μ m。
[0020]上述技术方案中，所述的待焊表面为平面或曲面。
[0021]本发明具有以下优点及突出性的技术效果:本发明所述用于陶瓷与金属，陶瓷与陶瓷及陶瓷与陶瓷基复合材料钎焊方法，通过在待焊的陶瓷表面加工出沟槽，并使用活性钎料加热润湿填满沟槽。通过这样的工艺，使陶瓷表层形成多个微米级沟槽，钎料可在毛细力的作用下沿沟槽铺展，增大钎料在陶瓷表面的铺展面积。活性钎料与陶瓷反应并填充在微米尺寸沟槽中，其反应层的热膨胀系数介于待焊的陶瓷与待焊金属之间，有效缓解了冷却过程中产生的应力集中，大大减小陶瓷与待焊金属材料钎焊连接后形成的接头焊后残余热应力，避免材料连接后发生的开裂现象。加工的开口槽平滑过渡，可有效减小应力集中，从而减轻脆性材料的开裂倾向。开口槽尺寸较小，钎焊过程中无需添加形状对应的金属镶嵌块，可有效简化钎焊过程，降低成本。本发明不仅适用于陶瓷材料(如Al2O3陶瓷，Si3N4陶瓷，SiC陶瓷等)，还可用于其它高硬度脆性材料之间的连接。
【附图说明】
[0022]图1为采用本发明技术方案的陶瓷与金属待焊表面(开口槽为“U”形)连接结构示意图。
[0023]图2为待焊表面加工出的开口槽尺寸关系示意图。
[0024]图3为采用本发明技术方案的陶瓷与金属待焊表面(开口槽为“V”形)连接结构示意图。
[0025]图4为采用本发明技术方案的陶瓷与金属待焊表面(开口槽呈近半圆形)连接结构示意图。
[0026]图5为采用本发明技术方案的曲面陶瓷与金属待焊表面连接结构示意图。
[0027]图6为采用本发明技术方案的陶瓷与陶瓷待焊表面(开口槽设在单侧陶瓷表面)连接结构示意图。
[0028]图7为采用本发明技术方案的陶瓷与陶瓷待焊表面(开口槽设在双侧陶瓷