專利名稱：半釬焊半擴散焊連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種材料的連接，具體是一種用于連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質(zhì)合金與金屬/金屬間化合物的半釬焊半擴散焊連接方法。
背景技術(shù)：
采用異種材料制作的焊接結(jié)構(gòu)，不僅能滿足不同工作條件對材質(zhì)提出不同要求，而且可節(jié)約大量的貴重材料，降低成本，發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢。異種材料焊接結(jié)構(gòu)在機械、化工、電力、核工業(yè)和航天航空等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，異種材料的焊接也越來越受到重視。從材料的組合和特點來看，異種材料的分類和焊接組合主要包括異種鋼的焊接、鋼與有色金屬的焊接、異種有色金屬的焊接、金屬與非金屬的焊接四種情況。結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等獨特性能，但其脆性大、強度分散和加工困難等缺點，限制了它作為整體機構(gòu)在工程中的應(yīng)用。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷與金屬的連接，對擴展陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。陶瓷與金屬的連接主要是活性釬焊和擴散焊，此外還有部分瞬間液相連接和二次PTLP等新方法。由于陶瓷和金屬的物理化學(xué)性能存在較大差異，特別是兩種材料間的熱膨脹系數(shù)差別較大，接頭在冷卻過程中由于收縮不均勻造成較大的殘余應(yīng)力，使連接強度大大降低。嚴重者自行開裂，甚至成為結(jié)構(gòu)損壞的直接或間接原因，由于金相組織的變化以及新生成的物相結(jié)構(gòu)或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，接頭力學(xué)性能較差，特別是塑性和韌性明顯下降?；钚遭F料的研究與開發(fā)是發(fā)展陶瓷與金屬/金屬間化合物釬焊的一項重要內(nèi)容。國內(nèi)熊柏青、楚建新等研究表明添加中間層可有效控制殘余熱應(yīng)力對Si3N4/金屬釬焊接頭性能的影響；翟陽、任家烈等使用非晶態(tài)合金作中間層擴散連接Si3N4與40Cr鋼，但連接強度不高；何鵬、馮吉才、錢乙余等研究了 Si3N4陶瓷與不銹鋼材料擴散連接接頭的殘余應(yīng)力的分布特征及中間層的作用，但接頭強度較低。以上對Si3N4與金屬的連接能有效減低接頭殘余應(yīng)力，但均存在接頭強度低而無法滿足工程實際應(yīng)用的要求。硬質(zhì)合金是以高硬度的，難熔金屬的碳化物(如TiC，WC，TaC，NbC等)為基，加入粘結(jié)金屬(如Co, Fe, Ni, Mo等),通過粉末冶金方法制成的合金材料。硬質(zhì)合金與金屬的物理性能差別較大，對連接性能影響最大的是二者線膨脹數(shù)的差異，如硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)為(4.5 7)父10-6/1，而45#鋼線膨脹系數(shù)為11.65X10_7°C，可見二者的線膨脹系數(shù)相差較大，因此在連接接頭易引起內(nèi)應(yīng)力。一般僅為金屬材料的一半左右，當(dāng)硬質(zhì)合金與這類材料焊接時，會在接頭中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，若超過硬質(zhì)合金的抗拉強度，便會導(dǎo)致硬質(zhì)合金開裂，二是由于硬質(zhì)合金材料的特殊性，釬料對基體材料的潤濕性不佳
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質(zhì)合金與金屬/金屬間化合物，并可緩解接頭殘余應(yīng)力，提高接頭強度的半釬焊半擴散焊連接方法。本發(fā)明的半釬焊半擴散焊連接方法是在陶瓷或硬質(zhì)合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設(shè)置工業(yè)級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。所述的工業(yè)級釬料熔化溫度低于所述的純金屬中間層；所述的工業(yè)級釬料和所述的純金屬中間層都能潤濕與之連接的母材；連接溫度低于所述的純金屬中間層熔點高于所述的工業(yè)級釬料熔化溫度。本發(fā)明的優(yōu)點是
(1)工業(yè)級釬料對陶瓷/硬質(zhì)合金表面的潤濕性能好，可以用來釬焊所述的純金屬中間層與陶瓷/硬質(zhì)合金；而純金屬中間層在同樣的連接溫度下可以與金屬/金屬間化合物實現(xiàn)擴散連接，通過半釬焊和半擴散焊連接獲得穩(wěn)定可靠的接頭。綜合了兩種方法的優(yōu)點。(2)由于本發(fā)明中所述的純金屬中間層材料沒有完全熔化，起到了梯度作用，緩解了接頭中存在的內(nèi)應(yīng)力，接頭不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，連接強度高；
(4)本發(fā)明工藝簡單、實施方便、獲得的陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質(zhì)合金與金屬/金屬間化合物接頭性能穩(wěn)定可重復(fù)再現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明的半釬焊半擴散連接方法應(yīng)用材料的構(gòu)造示意圖。圖中1.陶瓷或硬質(zhì)合金；2.釬料；3.純金屬中間層；4.金屬或金屬間化合物。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明的方法作進一步說明。實施例一
半釬焊半擴散連接Si3N4陶瓷與Ti-Al金屬間化合物。工業(yè)級釬料選用非晶Ti40Zr25B0. 2Cu釬料，熔化溫度為1230K，厚度為45 y m的工業(yè)級產(chǎn)品；純金屬中間層選用Ni箔的純度為99. 8%以上，厚度為250mm的工業(yè)級產(chǎn)品。連接步驟如下
1.準備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和Ti-Al金屬間化合物試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25B0. 2Cu釬料、Ni箔用5號金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進行超聲波清洗10分鐘；
2.裝配步驟將經(jīng)磨光的非晶Ti40Zr25B0.2Cu釬料、Ni箔、經(jīng)磨平的Si3N4陶瓷和Ti-Al金屬間化合物按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、Ti-Al金屬間化合物的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時在待連接件上放置一小砝碼以產(chǎn)生0. OSMPa的壓力；
3.連接階段將裝配好的專用夾具置于真空爐中進行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以10K/min的速率升溫至1373K，保溫30min ;然后以5K/min的速率冷至573K ;真空度小于10-3Pa ；自然冷卻至室溫時開爐門取樣。本實施例采用一種半釬焊半擴散連接Si3N4陶瓷與Ti-Al金屬間化合物連接方法獲得的Si3N4與Ti-Al金屬間化合物的接頭未出現(xiàn)由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象，接頭室溫四點彎曲強度為245MPa。其高溫性能大大提高，測試溫度從293K升至1073K時，接頭高溫三點彎曲強度均高于140MPa。
實施例二
半釬焊半擴散連接硬質(zhì)合金YG8與TA15。工業(yè)級釬料選用Ag-Cu-Ti釬料，熔化溫度為1053K，厚度為100 u m的工業(yè)級產(chǎn)品，Ag-Cu-Ti釬料箔按質(zhì)量百分比含量由組分Ag為70. 0%，Cu為26. 0 %，Ti為4. 0 %組成；純金屬中間層選用Cu箔的純度為99. 8%以上，厚度為150mm的工業(yè)級產(chǎn)品。連接步驟如下
1.準備階段先將待連接的硬質(zhì)合金YG8與TA15試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔用5號金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進行超聲波清洗10分鐘；
2.裝配步驟將經(jīng)磨光的Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔、經(jīng)磨平的硬質(zhì)合金YG8與TA15按硬質(zhì)合金YG8、Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔、TA15的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時在待連接件上放置一小砝碼以產(chǎn)生0. IMPa的壓力；
3.連接階段將裝配好的專用 夾具置于真空爐中進行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至873K，保溫30min ;再以10K/min的速率升溫至1133K，保溫30min ;然后以5K/min的速率冷至573K ;真空度小于10-3Pa ；自然冷卻至室溫時開爐門取樣。本實施例采用一種一種半釬焊半擴散連接硬質(zhì)合金YG8與TA15連接方法獲得的硬質(zhì)合金YG8與TA15的接頭未出現(xiàn)由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象，接頭室溫四點彎曲強度為 146MPa。
權(quán)利要求
1.一種半釬焊半擴散焊連接方法，其特征是在陶瓷或硬質(zhì)合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設(shè)置工業(yè)級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半釬焊半擴散焊連接方法，其特征是所述工業(yè)級釬料熔化溫度低于所述的純金屬中間層；所述的工業(yè)級釬料和所述的純金屬中間層都能潤濕與之連接的母材；連接溫度低于所述的純金屬中間層熔點高于所述的工業(yè)級釬料熔化溫度。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及異種材料的連接，具體是一種用于連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質(zhì)合金與金屬/金屬間化合物的半釬焊半擴散焊連接方法。本發(fā)明的半釬焊半擴散焊連接方法是在陶瓷或硬質(zhì)合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設(shè)置工業(yè)級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。本發(fā)明能夠連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質(zhì)合金與金屬/金屬間化合物，并可緩解接頭殘余應(yīng)力，提高接頭強度。
文檔編號B23K28/02GK102615442SQ201210116848
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者嚴鏗, 馮俊, 劉歡, 許祥平, 鄒家生, 高飛 申請人:江蘇科技大學(xué)