[发明专利]一种金属固相扩散连接方法及其制得的陶瓷连接件和应用

说明书

本发明属于陶瓷连接技术领域，公开了一种金属固相扩散连接方法及其应用，该方法是将连接材料耐高温活性金属放置于连接母材表面抛光的掺杂液相烧结助剂的SiC或Si₃N₄陶瓷之间，形成三明治结构；所述液相烧结助剂为Al₂O₃‑Re₂O₃；在保护气氛下，将三明治结构经机械加压，气压为10～10⁵Pa，在1200～1500℃烧结，制得SiC或Si₃N₄陶瓷连接件。连接后中间层厚度为10～100μm，连接件在室温下的剪切强度为60～150MPa，1200℃剪切强度为50～100MPa，该陶瓷接头可应用于航空航天和核能领域中。

技术领域

本发明属于陶瓷连接技术领域，更具体地，涉及一种金属固相扩散连接方法及其制得的陶瓷连接件和应用。

背景技术

精细陶瓷材料具有高强、耐高温、抗腐蚀等优异的性能，作为工程应用中必不可少的结构材料；同时由于陶瓷材料的烧结活性低，往往在烧结过程中需要添加烧结助剂，其中应用最广的烧结助剂为Al₂O₃-Y₂O₃；因此，液相烧结制备的陶瓷材料通常作为工程应用中的首选材料。然而，陶瓷材料固有的高硬和脆性限制了其机械加工性，从而限制了其工业应用价值。随着连接技术的出现，可实现不同结构件的相互连接，有望解决以上问题，解决大型结构件的难加工问题；从而推广结构陶瓷材料在工业界的应用，尤其是航空航天和核能等极端苛刻的高温环境应用。

金属固相扩散连接作为一种比较成熟的连接工艺，可实现陶瓷材料的高强连接，并且接头具有良好的密封性和耐高温性，可以在较低温度下实现连接；然而，针对目前的金属固相扩散连接，通常需要在高真空连接炉中进行，苛刻的高真空连接环境并不利于工程应用的推广。而且由于金属与陶瓷间的热膨胀系数差异较大，这种热膨胀系数不匹配容易在接头处产生较大的热应力，为连接件存在较大的安全隐患，以上问题为金属固相扩散连接的应用增加了阻力。因此，急需开发一种金属固相扩散连接方法，在无需高真空条件下就能实现陶瓷材料的高强连接，降低接头热应力，提高接头可靠性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要在于提供一种金属固相扩散连接方法。该方法以活性金属为连接材料，通过调节保护气氛压力，控制陶瓷材料中液相烧结助剂向中间层的扩散速率，并且通过对陶瓷中液相烧结助剂的种类及其含量的调节，可实现调控中间产物的热膨胀系数，从而降低接头热应力；简化了金属固相扩散连接工艺，同时提高了接头的可靠性。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的陶瓷连接件。

本发明的再一目的在于提供上述陶瓷连接件的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种金属固相扩散连接方法，包括如下具体步骤：

S1.将连接材料耐高温活性金属放置于连接母材表面抛光的掺杂液相烧结助剂的SiC或Si₃N₄陶瓷之间，形成三明治结构；所述液相烧结助剂为Al₂O₃-Re₂O₃，其中Re＝Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的任意一种；

S2.在保护气氛下，将上述三明治结构经机械加压，气压为10～10⁵Pa，在1200～1500℃烧结，制得SiC或Si₃N₄陶瓷连接件。

优选地，步骤S1中所述的活性金属为Ti、Mo、W或Ta中的至少一种。