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CN112122826A - 钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用 - Google Patents

钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用 Download PDF

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史康桥
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Abstract

本发明公开了一种钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用，焊接方法如下：将钛基复合材料和氮化硅陶瓷进行预处理，将泡沫镍加工至与待焊母材相同的尺寸，按照钛基复合材料/焊膏/泡沫镍/焊膏/氮化硅陶瓷的次序堆垛于石墨模具中，得到复合钎料，压块后放入真空钎焊炉；控制真空钎焊炉的真空度不低于8.0×10‑3Pa，并依次升温至300℃并保持5～30min，升温至810℃～930℃并保持5～30min，降温至300℃并随炉冷却至室温。本发明采用泡沫镍作为中间层使接头中应力形成梯度过渡，并有效抑制了脆性化合物的生成，接头强度得到提高，并且钎焊过程操作简单，成本低廉，有较高的应用价值。

Description

钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用
技术领域
本发明涉及钎焊领域，具体涉及一种钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用。
背景技术
氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、抗腐蚀性及抗热震性能良好等优点，在航空航天领域有着广阔的应用前景。但氮化硅陶瓷的脆性大，难以加工成形状复杂的构件，其应用范围受到很大程度的限制。因此，将氮化硅陶瓷与金属材料连接，既可利用氮化硅陶瓷优良的高温性能，又可发挥金属材料良好的塑性和韧性，满足现代工程应用的需求。而钛基复合材料具有低密度、高强度与良好的高温抗蠕变性等特点，在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用。因此，实现钛基复合材料与氮化硅陶瓷的连接有着重要的现实意义。
目前，在陶瓷与金属的连接方法中，钎焊具有工艺简单、成本较低，对接头尺寸和形状要求较小等优势，已得到了广泛应用。但陶瓷与金属的热膨胀系数不匹配，在钎焊界面处易产生残余应力，影响接头的力学性能。此外，由于钎焊过程中钎料的溶解扩散行为，在接头界面会形成脆性化合物，降低了钎焊接头服役过程中的可靠性。
因此，亟需设计一种钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊连接方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏及其方法和应用。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种用于钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏制备方法，其具体如下：
将以wt.％计68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti的银基钎料与碳纳米管按照(1-x％)：x％的质量百分比进行混合，得到复合钎料，其中x＝1～5；将所述复合钎料使用球磨机球磨后去除球磨介质，得到复合粉末；将所述复合粉末与焊接中间剂混合后得到焊膏。
作为优选，所述球磨指的是使用离心式球磨机，以钢球为磨球，以酒精为球磨介质，在球磨转速为100r/min的条件下球磨8h。
进一步的，所述去除球磨介质的方法采用旋转蒸发仪进行水浴加热至60℃，以使酒精完全挥发。
作为优选，所述复合粉末与焊接中间剂按照9:1的比例混合。
本发明的第二目的在于提供一种根据上述任一所述焊膏制备方法制备得到的焊膏。
本发明的第三目的在于提供一种基于上述焊膏对钛基复合材料与氮化硅陶瓷进行钎焊的方法，其具体如下：
S1：将钛基复合材料和氮化硅陶瓷进行预处理后，得到待焊母材；
S2：将泡沫镍加工至与所述待焊母材相同的尺寸，清洗干燥，得到泡沫镍母材；
S3：将所述待焊母材、泡沫镍母材和焊膏之间按照钛基复合材料/焊膏/泡沫镍/焊膏/氮化硅陶瓷的次序堆垛于石墨模具中，得到复合钎料，在所述复合钎料的上方放置压块后放入真空钎焊炉；
S4：控制真空钎焊炉的真空度不低于8.0×10-3Pa，并依次升温至300℃并保持5～30min，升温至810℃～930℃并保持5～30min，降温至300℃并随炉冷却至室温，完成钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊过程。
作为优选，S1中所述预处理指的是将钛基复合材料和氮化硅陶瓷的表面依次用180目～2000目砂纸逐级打磨，然后将打磨后的钛基复合材料和氮化硅陶瓷待焊面分别置于抛光机上抛光至没有划痕，最后使用酒精清洗并干燥。
作为优选，S3中所述焊膏的厚度为100μm～200μm。
作为优选，S3中所述泡沫镍的厚度为0.5mm～1mm。
作为优选，S4中所述升温的速率为10℃/min，降温的速率为5℃/min。
300℃，然后随炉冷却至室温，即完成钛基复合材料与氮化硅陶瓷的连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的钎焊方法可以实现钛基复合材料与氮化硅陶瓷的有效连接，接头中没有裂纹、气孔等缺陷，在钎焊温度840℃保温20min时得到的接头抗剪强度为83MPa，且复合钎料制备及钎焊过程简单高效，便于批量生产；
2)本发明的钎焊方法通过在银基钎料中添加碳纳米管制成复合粉末钎料，提高钎料的填缝能力，并以钛基复合材料/钎料焊膏/泡沫镍/钎料焊膏/氮化硅陶瓷的结构进行钎焊，以减小接头中的残余应力，提高钎焊接头的力学性能；
3)本发明的钎焊方法利用泡沫镍的独特的三维结构促进了元素的扩散，使得钎焊过程中产生的化合物均匀弥散的分布在钎缝中，并且Ni在钎焊过程中消耗了来自钛基复合材料的Ti，抑制了陶瓷界面处脆性化合物的生成，有效地缓解了接头中残余应力集中的问题，显著提高了接头力学性能；
4)本发明采用泡沫镍作为中间层使接头中应力形成梯度过渡，并有效抑制了脆性化合物的生成，碳纳米管的加入使接头组织均匀细化，接头强度得到提高，并且钎焊过程操作简单，成本低廉，有较高的应用价值。
附图说明
图1为实施例1中S3复合钎料的装配示意图；
图2为实施例1中S4中钎焊工艺的曲线图；
图中：钛基复合材料1，钎料焊膏2，泡沫镍3，氮化硅陶瓷4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
实施例1
将银基钎料(68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti，以wt.％计)与碳纳米管按(1-x％)：x％(x＝1～5)的质量百分比wt.％进行混合，得到复合钎料。将该复合钎料使用离心式球磨机，以钢球为磨球，酒精为球磨介质，在球磨转速为100r/min的条件下球磨8h，随后采用旋转蒸发仪进行水浴加热至60℃，以使球磨介质酒精完全挥发，得到复合粉末。将该复合粉末与焊接中间剂按照9:1的比例混合后得到焊膏。
利用配置得到的焊膏对钛基复合材料与氮化硅陶瓷进行钎焊，具体方法如下：
S1：将钛基复合材料和氮化硅陶瓷进行预处理，得到待焊母材。
预处理的过程主要为：将钛基复合材料和氮化硅陶瓷的表面依次用180目～2000目砂纸逐级打磨，然后将打磨后的钛基复合材料和氮化硅陶瓷待焊面分别置于抛光机上抛光至没有划痕，最后使用酒精清洗并干燥。
S2：将泡沫镍加工至与S1中得到的待焊母材待焊面大小相同的尺寸，厚度为0.5mm，清洗干燥，得到泡沫镍母材。
S3：将上述得到的待焊母材、泡沫镍母材和焊膏之间按照钛基复合材料/焊膏/泡沫镍/焊膏/氮化硅陶瓷的次序堆垛于石墨模具中，得到复合钎料。其中，焊膏的厚度约为100μm。在得到的复合钎料的最上方放置压块后放入真空钎焊炉。
S4：控制真空钎焊炉的真空度不低于8.0×10-3Pa，以10℃/min的加入速率升温至300℃并保温30min，然后以10℃/min的加热速率升温至840℃并保温20min，保温结束后，以5℃/min的降温速率降温至300℃，然后随炉冷却至室温，从而完成钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊过程。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样1。
实施例2
本实施例采用与实施例1中相同的焊膏和方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于S4中以10℃/min的加入速率升温至300℃并保温30min，然后以10℃/min的加热速率升温至810℃后保温20min。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样2。
实施例3
本实施例采用与实施例1中相同的焊膏和方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于S4中以10℃/min的加入速率升温至300℃并保温30min，然后以10℃/min的加热速率升温至870℃后保温20min。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样3。
实施例4
本实施例采用与实施例1中相同的焊膏和方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于S4中以10℃/min的加入速率升温至300℃并保温30min，然后以10℃/min的加热速率升温至900℃后保温20min。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样4。
实施例5
本实施例采用与实施例1中相同的焊膏和方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于S4中以10℃/min的加入速率升温至300℃并保温30min，然后以10℃/min的加热速率升温至930℃后保温20min。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样5。
对比例1
本实施例采用与实施例1中相同的方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于焊膏制备时仅有银基钎料(68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti wt.％)，即不添加碳纳米管；同时，钎焊结构为钛基复合材料/焊膏/氮化硅陶瓷，即不添加泡沫镍。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样6。
对比例2
本实施例采用与实施例1中相同的焊膏和方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于钎焊结构为钛基复合材料/焊膏/氮化硅陶瓷，即不添加泡沫镍。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样7。
对比例3
本实施例采用与实施例1中相同的方法对钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊，区别在于焊膏制备时仅有银基钎料(68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti wt.％)，即不添加碳纳米管。得到钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头试样8。
将上述实施例1～5与对比例1～3所得的钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头置于万能试验机上测试其剪切强度，测试结果如表1所示。
表1钛基复合材料与氮化硅陶瓷钎焊接头的剪切强度
Figure BDA0002690106670000051
表1的数据说明，通过本发明焊膏对钛基复合材料与氮化硅陶瓷进行钎焊的方法，获得的钎焊接头剪切强度较高。与对比例1～3相比较，银基钎料中加入适量碳纳米管和使用泡沫镍作中间层的钎焊结构对钎焊接头中残余应力的缓解起到重要作用，钎焊接头剪切强度的提升效果显著。
本发明采用泡沫镍作为中间层使接头中应力形成梯度过渡，并有效抑制了脆性化合物的生成，碳纳米管的加入使接头组织均匀细化，接头强度得到提高，并且钎焊过程操作简单，成本低廉，有较高的应用价值。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于钎焊钛基复合材料与氮化硅陶瓷的焊膏制备方法，其特征在于，具体如下：
将以wt.％计68.8Ag-26.7Cu-4.5Ti的银基钎料与碳纳米管按照(1-x％)：x％的质量百分比进行混合，得到复合钎料，其中x＝1～5；将所述复合钎料使用球磨机球磨后去除球磨介质，得到复合粉末；将所述复合粉末与焊接中间剂混合后得到焊膏。
2.根据权利要求1所述的焊膏制备方法，其特征在于，所述球磨指的是使用离心式球磨机，以钢球为磨球，以酒精为球磨介质，在球磨转速为100r/min的条件下球磨8h。
3.根据权利要求2所述的焊膏制备方法，其特征在于，所述去除球磨介质的方法采用旋转蒸发仪进行水浴加热至60℃，以使酒精完全挥发。
4.根据权利要求1所述的焊膏制备方法，其特征在于，所述复合粉末与焊接中间剂按照9:1的比例混合。
5.一种根据权利要求1～4任一所述焊膏制备方法制备得到的焊膏。
6.一种基于权利要求5所述焊膏对钛基复合材料与氮化硅陶瓷进行钎焊的方法，其特征在于，具体如下：
S1：将钛基复合材料和氮化硅陶瓷进行预处理后，得到待焊母材；
S2：将泡沫镍加工至与所述待焊母材相同的尺寸，清洗干燥，得到泡沫镍母材；
S3：将所述待焊母材、泡沫镍母材和焊膏之间按照钛基复合材料/焊膏/泡沫镍/焊膏/氮化硅陶瓷的次序堆垛于石墨模具中，得到复合钎料，在所述复合钎料的上方放置压块后放入真空钎焊炉；
S4：控制真空钎焊炉的真空度不低于8.0×10-3Pa，并依次升温至300℃并保持5～30min，升温至810℃～930℃并保持5～30min，降温至300℃并随炉冷却至室温，完成钛基复合材料与氮化硅陶瓷的钎焊过程。
7.根据权利要求6所述钎焊的方法，其特征在于，S1中所述预处理指的是将钛基复合材料和氮化硅陶瓷的表面依次用180目～2000目砂纸逐级打磨，然后将打磨后的钛基复合材料和氮化硅陶瓷待焊面分别置于抛光机上抛光至没有划痕，最后使用酒精清洗并干燥。
8.根据权利要求6所述钎焊的方法，其特征在于，S3中所述焊膏的厚度为100μm～200μm。
9.根据权利要求6所述钎焊的方法，其特征在于，S3中所述泡沫镍的厚度为0.5mm～1mm。
10.根据权利要求6所述钎焊的方法，其特征在于，S4中所述升温的速率为10℃/min，降温的速率为5℃/min。
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