[发明专利]一种低膨胀柔性中间层辅助钎焊的方法

说明书

一种低膨胀柔性中间层辅助钎焊的方法，它涉及一种中间层辅助钎焊的方法。本发明要解决现有陶瓷与金属热膨胀系数差异较大造成钎焊接头残余应力过大、陶瓷增强相的引入量小，且使得焊缝脆性加剧的问题。方法：一、将称取的负热膨胀系数粉末与偶联剂粉末进行球磨混合，然后真空退火，得到退火后的混合粉末，将退火后的混合粉末与称取的金属基体粉末混合，热压烧结，得到低膨胀柔性中间层；二、按待焊陶瓷、钎料箔片、低膨胀柔性中间层、钎料箔片及待焊金属的顺序依次叠放，将陶瓷/钎料箔片/低膨胀柔性中间层/钎料箔片/金属置于真空炉中进行钎焊，最后随炉降温。本发明用于低膨胀柔性中间层辅助钎焊。

技术领域

本发明涉及一种中间层辅助钎焊的方法。

背景技术

陶瓷材料是目前硬度最高、尺寸稳定性极佳、耐烧蚀、耐冲击并具有良好透波性的工程材料，其可以广泛应用于航空航天领域中耐热、耐蚀等关键构件的制造，因其密度极低可减轻基体重量，是潜在的轻量化材料。但由于其自身脆性较大，难以机械加工与复杂结构成型，仅在关键部位进行应用，其通常需要与金属基体进行连接满足实际应用需求。在众多连接方法中，钎焊因其工序简单、成本低廉、可批量生产而广泛的应用于陶瓷与金属的连接，通常采用与陶瓷润湿良好的含活性元素的钎料进行连接。然而因为陶瓷与金属物理化学性质差异极大，并且二者的热膨胀系数差距悬殊，将在焊后形成极大的残余应力，其会导致焊接裂纹、孔洞等出现，并且极大降低接头的承载能力。有效降低残余应力才能保证钎焊接头质量稳定。

为缓解接头残余应力，通常向钎料中加入低膨胀系数的增强体颗粒制备复合钎料，形成从陶瓷到金属基体热膨胀系数的梯度过渡。然而复合材料仍面临较多问题。首先，传统增强体多与钎料中活性元素形成反应，大量添加增强体将急剧消耗活性元素，导致钎料与陶瓷基体、增强体润湿不良，形成未焊合等缺陷，为保证接头质量增强体的添加量一般不超过10vol％。由于增强体的添加量很低，并且其热膨胀系数仍为正数，根据混合理论计算，复合钎料的热膨胀系数降低不明显，其数值不介于陶瓷与金属基体之间，难以形成梯度过渡缓解残余应力，由于钎料的热膨胀系数大多远远高于金属基体，反而导致陶瓷与钎料界面处残余应力集中。其次，增强体与活性元素反应的生成物其热膨胀系数大幅增加，进一步削弱降低热膨胀系数的作用。并且形成的大量化合物将进一步加大接头脆性，削弱变形能力，在高应力情况下更容易断裂。再次，直接添加增强体颗粒在混合过程中易形成团聚，并且液态钎料的流动将进一步加剧这种现象，造成未焊合孔隙与性能突变等情况，影响钎焊接头的稳定性，现有Nb板材与C/C复合陶瓷钎焊接头剪切强度仅为20MPa～35MPa。

发明内容

本发明要解决现有陶瓷与金属热膨胀系数差异较大造成钎焊接头残余应力过大、陶瓷增强相的引入量小，且使得焊缝脆性加剧的问题，而提供一种低膨胀柔性中间层辅助钎焊的方法。

一种低膨胀柔性中间层辅助钎焊的方法是按以下步骤进行的：

一、按体积百分数称取40％～80％负热膨胀系数粉末、1％～10％偶联剂粉末和余量的金属基体粉末，首先将称取的负热膨胀系数粉末与偶联剂粉末进行球磨混合，然后在温度为800℃～1200℃条件下，真空退火10min～20min，得到退火后的混合粉末，将退火后的混合粉末与称取的金属基体粉末混合，然后置于石墨模具中进行热压烧结，烧结温度为700℃～1100℃，烧结时间为0.5h～5h，最后对烧结块体进行切割，得到低膨胀柔性中间层；

所述的负热膨胀系数粉末为Zr₂P₂WO₁₂粉末或LiAlSiO₄粉末；

二、对待焊金属、待焊陶瓷、钎料箔片及低膨胀柔性中间层表面进行机械打磨，化学清洗去除表面杂质，然后按待焊陶瓷、钎料箔片、低膨胀柔性中间层、钎料箔片及待焊金属的顺序依次叠放，得到陶瓷/钎料箔片/低膨胀柔性中间层/钎料箔片/金属，将陶瓷/钎料箔片/低膨胀柔性中间层/钎料箔片/金属置于真空炉中进行钎焊，钎焊温度为800℃～1300℃，保温时间为5min～30min，最后随炉降温，即完成低膨胀柔性中间层辅助钎焊的方法。