[发明专利]基于Ni-B/Ti瞬时液相原位反应的陶瓷/金属连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于Ni-B/Ti瞬时液相原位反应的陶瓷/金属连接方法。

背景技术

陶瓷具有密度低、强度高、耐磨、耐高温、耐腐蚀等诸多优异性能，是军事装备、原子能、化工和汽车等工业领域非常有前途的结构材料。但是由于陶瓷不具有可滑移的位错系统，它的硬度高、脆性大、不易加工成型。为了解决这一问题，工业中常将陶瓷与金属进行连接，将二者制备成复合构件，以发挥陶瓷和金属各自优异的性能。焊接是连接陶瓷和金属最常用的方法，它通过加热或加压的方式，使被焊材料形成原子间的扩散和结合。目前常用的陶瓷/金属焊接方法包括钎焊、扩散焊、自蔓延反应连接、瞬时液相(TLP)扩散连接、激光/电子束焊接等。但无论哪种连接方式，均需要考虑因陶瓷、金属物理性质的不同所带来的残余应力问题。近些年来，研究者主要通过焊接中间层的成分设计和工艺优化来改善接头的性能，其中最具代表性的就是复合钎料法。该方法以活性Ag-Cu-Ti钎料为基体，混入一定比例的陶瓷颗粒、难熔金属颗粒或短纤维等作为第二相增强体。利用增强体自身高模量、低热膨胀系数等特性对焊缝中间层的物理性质进行调节，减少焊缝与陶瓷界面的热膨胀系数差值，进而缓解异种材料接头的残余应力。复合钎料法是一种简单实用的方法，但它在实际应用中也存在一些问题：首先，活性钎料与增强相的机械混合方式会造成增强相在焊缝内部分布不均匀，易团聚；其次，增强相与活性钎料发生复杂化学反应，易生成脆性金属间化合物，对接头性能不利；再次，增强相的加入会降低活性钎料的流动性和润湿性，容易在焊缝内部产生孔洞、未焊合等缺陷。

发明内容

针对上述背景技术存在的不足之处，本发明公开基于Ni-B/Ti瞬时液相原位反应的陶瓷/金属连接方法。

本发明方法采用两层Ti中间层箔片和一层Ni/Ni-B复合箔片为焊接中间层，两种Ti中间层箔片厚度分别为钛箔①：10μm～50μm和钛箔②：50～150μm，初始Ni中间层箔片的厚度为50～100μm，焊接过程按以下步骤进行：

一、对金属基体采用800#、1000#、1200#、1500#砂纸打磨表面，然后浸入丙酮溶液超声清洗5min，晾干备用；对陶瓷基体采用1200#和1500#金刚石磨盘打磨表面，浸入丙酮溶液超声清洗5min，晾干备用；

二、取Ti、Ni中间层箔片，首先将其浸入丙酮溶液中超声清洗5min，之后放入除氧化膜溶液浸泡10～15min进行除氧化膜处理，然后取出Ti、Ni中间层箔片用清水冲洗干净，晾干备用；所述的除氧化膜溶液是由质量百分含量为2％～5％的HF、质量百分含量为20％～45％的HNO₃和余量的水组成；

三、取厚度为50μm～100μm步骤二处理的Ni中间层箔片，浸入丙酮溶液中超声清洗5min，之后在Ni中间层箔片一侧沉积1μm～5μm厚的Ni-B非晶合金层，得Ni/Ni-B复合箔片；然后对Ni/Ni-B复合箔片采用清水清洗，晾干备用；其中，所述的Ni-B非晶合金层的B含量为3wt.％～6wt.％；

四、取步骤一处理的陶瓷、金属、步骤二处理后的Ti中间层箔片以及步骤三得到的Ni/Ni-B复合箔片以叠放方式组装成待焊件，组装顺序为：金属/Ti中间层箔片/Ni/Ni-B复合箔片/Ti中间层箔片/陶瓷；将待焊件置于真空扩散焊炉中，施加5～10MPa压力，并抽真空至5×10^-4～1×10^-3Pa，然后将真空扩散焊炉以30℃/min的速度升温至900℃，保温5min，再以10℃/min的速度升温至950～1000℃，保温5～30min，再以5℃/min的速度降温至300℃，最后焊接件随炉冷却至室温，完成所述的基于Ni-B/Ti瞬时液相原位反应的陶瓷/金属连接；其中，Ni/Ni-B复合箔片的Ni-B非晶合金层靠近陶瓷一侧，两层Ti中间层箔片的总厚度与不包含Ni-B非晶合金层的Ni中间层箔片厚度的厚度比例为1：(1.0～2.5)。

本发明包含以下有益效果：

本发明的方法原理：焊接中间层存在Ti/Ni和Ti/Ni-B两种反应界面，当温度高于942℃，两界面通过Ti-Ni接触反应产生共晶瞬时液相。对于Ti/Ni-B反应界面，B原子随Ni的溶解逐步均匀地进入液相，与Ti发生如下反应：

Ti+B→TiBΔ_rG＝-163200+5.9TJ/mol