[发明专利]一种提高Si3N4陶瓷与钛合金焊接性能的表面处理方法

说明书

本发明公开了一种提高Si₃N₄陶瓷与钛合金焊接性能的表面处理方法，包括以下步骤：步骤a，利用双辉等离子表面冶金技术在钛合金表面制备镍合金层；步骤b，利用离子注入技术在Si₃N₄陶瓷表面注入Ti离子；步骤c，将经步骤a处理后的钛合金表面及经步骤b处理后的Si₃N₄陶瓷表面在真空扩散焊设备中实现焊接。本发明以双辉等离子表面冶金技术和离子注入技术为手段，能够实现Si₃N₄陶瓷与不同钛合金的真空扩散焊接，大幅度提高真空扩散焊在Si₃N₄陶瓷/钛合金焊接工艺中的应用。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种提高Si₃N₄陶瓷与钛合金焊接性能的表面处理方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐热性强等优点性能，被广泛用于制造航空发动机压气机轮盘、叶片等部件。但是，随着航空发动机推重比和涡前温度的不断提高，发动机零件的工作条件变得更为复杂和苛刻。对于这种高温环境，钛合金还是不能满足服役的要求。Si₃N₄陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导热性好和比强度高等优点，能够适应多种恶劣环境，Si₃N₄陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料，可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境。将Si₃N₄陶瓷在空气中加热到1000℃以上，再急剧冷却，在反复加热冷却后也不会发生破裂，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，Si₃N₄陶瓷材料存在着延性低、脆性大、难以加工和切削的缺点，使得 Si₃N₄陶瓷难以充分发挥其优异的性能。另一方面，Si₃N₄陶瓷生产成本比较高。实际应用中，通过先进的焊接技术将陶瓷与金属材料焊接在一起，将陶瓷与金属复合使用，取长补短，同时减少成本。

对于陶瓷与金属焊接，真空钎焊和真空扩散焊是两种常用的焊接方法。真空钎焊是将陶瓷表面进行金属化处理，然后在一定的真空和温度条件下，通过钎料的熔化使二者牢固结合。而针对于钎焊焊接陶瓷与金属，一般钎焊接头强度仅为基体母材的一半，不能满足先进航空发动机连接结构件性能的要求。另一方面，钎焊要求钎料有良好的润湿性,而对Si₃N₄陶瓷润湿性的要求大大限制了钎料的选择。真空扩散焊是在一定的真空条件下，使平整光滑的焊接表面在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，原子互相扩散，经一定时间保温，使焊接区的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。真空扩散焊作为一种先进的焊接方法，适用于各种陶瓷与各种金属的连接。其显著特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性能和耐腐蚀性能好。因此，对于高温和耐蚀条件下的应用来讲，扩散焊接是Si₃N₄陶瓷与钛合金连接最适宜的方法。然而，对于Si₃N₄陶瓷与钛合金的真空扩散焊接仍存在一些需要解决的问题。Si₃N₄陶瓷晶体的强大键能使元素扩散特别困难。Si₃N₄陶瓷与钛合金的热膨胀系数相差较大，导致接头产生很大热应力，会在陶瓷侧产生裂纹。焊接后陶瓷-金属界面能否形成强化学结合、物理结合或冶金结合，保证接头的可靠性。上述问题制约着真空扩散焊在陶瓷与金属焊接中的应用。在陶瓷与金属的扩散焊接中，为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数不同而引起的残余应力以及控制界面反应，抑制或改变界面反应产物以提高接头性能，常在陶瓷与金属之间采用中间层。2007年2月出版的《钢铁研究学报》，第19卷第2期中“金属与陶瓷连接用中间层材料”一文中概述了金属与陶瓷钎焊、扩散焊与部分瞬时液相连接采用的中间层的研究现状。然而，Si₃N₄陶瓷与不同金属扩散焊接需要采用不同的中间层，不同中间层的选择给实际生产带来很大困难。