[发明专利]一种真空扩散连接陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接陶瓷的方法，特别是适用于陶瓷与金属、陶瓷与陶瓷的连接。

背景技术

陶瓷具有优越的高硬度、低比重、高强度、耐高温、耐腐蚀等特性，是公认的在航天飞行器、武器装备、原子能及汽车等工业领域最有发展前途的高温结构材料。但由于陶瓷的塑性差，不易制成大型或形状复杂的构件。为了解决这一问题，需要发展陶瓷与金属等其它异种材料的连接技术，以期获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的陶瓷-金属复合构件。目前研究比较多的是活性钎焊法和扩散连接法。活性钎焊连接是一种利用陶瓷与金属母材之间的钎料在高温下熔化，其中的活性组元与陶瓷发生化学反应，形成稳定的反应梯度层，将两种不同材料结合在一起的方法。活性金属钎焊用钎料是在Cu、Ag、Au等贵金属基料中添加活性金属Ti，In等而成。但陶瓷-金属钎焊连接目前存在的主要问题是：(1)结合强度较低；(2)接头性能评定的可比性较差；(3)钎料价格较高。扩散连接一般在真空条件下，使经过精细加工的被连接表面紧密的靠在一起，在一定的温度及压力下，接触界面原子间相互扩散，形成金属键接合，是一种精密的连接方法，连接质量可靠。扩散连接适用于各种陶瓷与金属的连接。扩散连接克服了活性钎焊法的缺点，扩散连接的主要优点是连接强度高、接头质量稳定和耐腐蚀性能好，特别适用于高温和耐蚀条件下陶瓷与金属的连接。但是在进行陶瓷与金属的连接时，一般扩散连接所用温度较高，在接头局部处金属变形大，又由于连接时作用温度较高，常常超过材料的相变点或强化相析出温度，使接头性能变差。特别是对陶瓷与金属这样的异种材料的连接，由于连接温度较高，造成接头界面处有金属间化合物析出，在陶瓷和金属界面生成各种脆性化合物，这些反应生成相的种类、成长状况和形态分布对接头性能有很大影响，直接影响了陶瓷-金属结构的实际应用，同时冷却时接头处会形成较大的内应力，使接头性能变差。

发明内容

本发明为了解决现有扩散连接陶瓷的方法存在连接温度高、在接头局部处金属变形大以及接头性能差的问题，而提供一种真空扩散连接陶瓷的方法。

本发明的真空扩散连接陶瓷的方法是按如下步骤进行的：一、扩散连接前对母材表面进行清理；二、把扩散中间层均匀的置于待焊母材的连接面上，扩散连接中间层为置氢钛或钛合金箔片，扩散连接中间层的厚度30～100μm；三、将夹装好的焊件置于真空扩散焊机内进行加热，在真空度为1.33×10^-3～4.0×10^-3Pa的条件下进行扩散连接；四、焊接结束后焊件在原真空条件下降温至100℃时撤压，降温到室温时，取出焊件；即得到连接好的陶瓷焊件。

本发明中步骤二所述的置氢钛的含氢量为0.1～0.6wt.％。

本发明的方法原理如下：采用氢含量0.1％～0.6％(重量百分比)的钛或钛合金箔片作为扩散连接中间层，利用钛在扩散连接温度下对陶瓷中的氧、氮、碳、硅等元素具有较高的化学亲和力，能与陶瓷相互作用，发生置换反应或化合反应，形成反应产物，并通过生成的反应产物使陶瓷牢固地连接在一起。同时由于氢导致钛或钛合金热变形流动应力的下降，热塑性的增加，从而使置氢钛或钛合金在高温下易于变形；而且氢在钛或钛合金中的自扩散和溶质扩散能力较高，特别是在β相内的扩散能力更高，因而氢可以加速合金元素的扩散，降低原子结合能，减小扩散激活能，提高扩散协调变形能力，可以在相对较低的温度下实现陶瓷接头可靠的扩散连接。另外，置氢钛或钛合金在真空扩散连接加热过程中发生脱氢，当温度达到600℃时，氢开始逸出，当温度迅速升高达到连接温度时，氢急剧向外逸出。逸出的氢与材料表面氧化膜发生反应，这种还原反应十分有利于氧化膜的去除，有助于缩短扩散连接时间，促进扩散连接进程。针对于陶瓷的真空扩散连接，与常规的直接扩散连接或采用普通Ti箔作为中间层的扩散连接方法相比，本发明提出的以置氢钛合金作为中间层的真空扩散连接方法及工艺，扩散连接温度可降低60℃～150℃，接头抗剪切强度可提高20％～80％，接头处金属无明显形变。

附图说明