專利名稱：SiAlON陶瓷、Si₃N₄陶瓷間同種材料或異種材料的SPS連接方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷材料的連接領域，涉及一種SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同 種或異種間的SPS連接方法。
背景技術：
SiA10N及Si3N4陶瓷具有優良的力學性能和耐腐蝕、耐磨損能力，是用 處廣泛的高溫結構陶瓷材料和刀具材料之一 。
在破損修復及機械制造過程中，經常需要把陶瓷件連接在一起。公開的連 接方法有三種。第一種方法是釬焊。但是由于SiA10N或Si3N4陶瓷難以被潤 濕，所以必須采用特殊的活性釬料才能完成釬焊連接。常用的活性釬料是添加 含有10%11、 V、 Zr 、 Hf 、 Nb或Ta等活性元素的Ag-Cu合金[材料科學與 工藝2005年6月第13巻3期第228頁，專利號ZL 200710087292.7，專利 號ZL 200410043962.1，專利申請號200610010356.9]。
另一種方法是以Si3N4陶瓷的晶間相成分為焊料，進行反應釬焊[陶瓷學報
2002年6月第23巻2期第130頁]。焊料成分以Y203-Al203-Si02、 La203-Al2OrSi02 (La為鑭系元素)或MgO-Ab03-Si02氧化物為基礎，加入少 量的a-Si3N4，可利用生成的P-Si3N4提高接頭強度；改變氧化物的類型或含量， 可提高接頭的耐熱溫度。反應釬焊連接法需要一定的壓力，輔助焊料在被連接 表面鋪展，形成致密的接頭。5MPa/160(TC/30min連接的Si3N4陶瓷，接頭強 度最高可達到母材強度的80%,但最高使用溫度不超過1200°C。
導致接頭強度低于母材及接頭使用溫度不高的原因有三個 一是接頭本身 是低強度相，其力學性能不高；第二，焊料與母材的熱膨脹系數不同，導致接 頭內有很大的熱應力；第三，焊料本身不耐高溫。為提高接頭的室溫及高溫力 學性能，通常需要采用更難熔的焊劑；降低接頭與母材的熱膨脹系數失配；通 過充分擴散而消除焊縫的宏觀界面。
Si3N4陶瓷的第三種連接方法是壓力擴散焊，使用常規的熱壓燒結設備，
依靠高溫加壓條件下的成分擴散來實現Si3N4陶瓷的連接。 一般需要在1600°C以上高溫保溫幾小時，使Si3N4晶粒向接縫中生長，彌補接頭的強韌化機制。
為消除接縫與母材的組織結構與性能的差別，甚至采用3GPa的極高焊接壓力 對Si3N4陶瓷進行連接。長時間的高溫高壓焊接增加了生產成本，很難在生產 中應用推廣。
綜上所述，雖然Si3N4陶瓷的連接技術有了很大的進展(目前尚無SiAlON 陶瓷連接方面的報道)，但仍然存在許多技術難題，主要表現為工藝條件復 雜、效率低、能耗大、接頭強度不高(大大低于母材強度)。

發明內容
本發明的目的是為了解決陶瓷材料連接存在工藝條件復雜、工作效率低、 能耗大、接頭強度低的問題；而提供了 SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料 或異種材料的SPS連接方法。
本發明中SiAlON陶瓷、SisN4陶瓷同種或異種間的SPS連接方法是按下 述步驟進行的 一、將待焊母材表面用砂輪磨平整，用乙醇洗去表面污染及雜 物；二、將經步驟一處理的待焊母材的被連接面對放，裝入模具后置于SPS (放電等離子熱壓燒結)爐內，將SPS爐內抽真空到壓強〈6Pa，再充入氮氣 至SPS爐內壓強為0.1 5MPa,然后升溫的同時逐漸增加焊件端面壓力，溫度 升至700。C焊件端面壓力達到1 100MPa，保壓的同時以5~200°C/min升溫速 率加熱至1300 1900°C，再保溫0 90min，停止加熱，撤壓，再隨爐自然冷卻 至室溫；即完成了 SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同種或異種間的SPS連接；其中 步驟一所述的待焊母材為SiAlON陶瓷、SbN4陶瓷間同種材料或異種材料。
本發明還可在步驟二隨爐自然冷卻至室溫后，對連接后的焊件進行高溫熱 處理，具體步驟和參數如下將連接后的焊件再置于高溫爐中，然后將高溫爐 內抽真空到壓強〈10Pa，再充入氮氣至SPS爐內壓強為0.1 0.5MPa，然后以 5~100°C/min升溫速率加熱至1300 1卯0。C,在1300 1900。C條件下高溫熱處 理30 1800min，然后停止加熱，再隨爐自然冷卻至室溫，即完成了對連接后 的焊件的熱處理。
本發明具有下述優點
(1)本發明方法具有工作效率高、工藝簡單、能耗小的優點，本發明采 用SPS方法，在十幾分鐘內(也可延長時間到幾小時)可實現SiAlON陶瓷及Si3N4陶瓷之間的同種或異種連接，從而提高了工作效率、減少了能耗；(2) 接頭強度大于母材強度；(3)不使用釬料，同種材料的連接接頭的宏觀、微觀 成分與組織和母材完全一樣，無熱失配應力，從根本上消除了接頭對連接強度 的影響；(4)通過后續高溫熱處理可實現母材、接頭的結構性能的同時優化， SiAlON或Si3N4晶粒跨過焊縫生長，可進一步消除接頭與母材的組織結構的 差別，提高焊接質量。


圖l是SiA10N及Si3N4陶瓷材料SPS連接方法中的工件裝模示意圖，圖 l中l表示壓頭，2表示模具，3表示待焊母材，P代表壓力；圖2具體實施 方式十四連接后的實物照片；圖3是具體實施方式
十五中1700°C/20MPa/0min 工藝條件下接頭的低倍形貌圖；圖具體實施方式
十五中 1700°C/20MPa/10min工藝條件下接頭的高倍形貌圖；圖5是具體實施方式
十 五的接頭強度與焊接時間的關系圖，圖5中-口-表示具體實施方式
十五所述焊 縫的接頭強度曲線，o表示摻雜金屬離子Yb的a-SiAlON陶瓷焊接母材的強度， A表示摻雜金屬離子Y的a-SiAlON陶瓷焊接母材的強度；圖6是具體實施方 式十六熱處理后的接頭的低倍形貌圖；圖7是具體實施方式
十六熱處理后的接 頭的高倍形貌圖。
具體實施例方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方 式間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同種或異種間
的SPS連接方法是按下述步驟進行的 一、將待焊母材表面用砂輪磨平整， 用乙醇洗去表面污染及雜物；二、將經步驟一處理的待焊母材的被連接面對放，
裝入模具后置于SPS (放電等離子熱壓燒結)爐內，將SPS爐內抽真空到壓強 <6Pa，再充入氮氣至SPS爐內壓強為0.1 5MPa，然后升溫的同時逐漸增加焊 件端面壓力，溫度升至70(TC焊件端面壓力達到1 100MPa，保壓的同時以 5~200°C/min升溫速率加熱至1300 1900°C，再保溫0-90min，停止加熱，撤 壓，再隨爐自然冷卻至室溫；即完成了 SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同種或異種 間的SPS連接；其中步驟一所述的待焊母材為SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材料。
本實施方式采用SPS (放電等離子燒結)法實現了 SiA10N陶瓷、Si3N4 陶瓷間同種材料或異種材料的連接，接頭強度大于母材強度。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中焊件 端面壓力為5 80MPa壓力。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中焊件 端面壓力為10 50MPa壓力。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中焊件 端面壓力為20MPa壓力。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一、二、三或四不同的是 步驟二中在1400 180(TC條件下保溫5 20min。其它步驟及參數與具體實施方 式一、二、三或四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一、二、三或四不同的是 步驟二中在170(TC條件下保溫10min。其它步驟及參數與具體實施方式
一、二、 三或四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟二所 述的升溫速率為50 15(TC/min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟二所 述的升溫速率為100°C/min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八不同的是在步驟二 隨爐自然冷卻至室溫后，再將焊件置于高溫爐中，然后將高溫爐內抽真空到壓 強〈10Pa，再充入氮氣至爐內壓強為0.1 0.5MPa，然后以5~100°C/min升溫速 率加熱至1300~1900°C，在1300 1900。C條件下高溫熱處理30 1800min，然后 停止加熱，再隨爐自然冷卻至室溫。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八相 同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施九不同的是高溫熱處理的溫度 為1500~1800°C。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體 施九不同的是高溫熱處理的溫 度為1700°C。其它步驟及參數與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施九、十或十一不同的是高溫 熱處理的時間為60 200min。其它步驟及參數與具體實施方式
九、十或十一相 同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施九、十或十一不同的是高溫 熱處理的時間為120min。其它步驟及參數與具體實施方式
九、十或十一相同。
具體實施方式
十四本實施方式焊接母材為直徑均為20mm、厚度分別為 5mm和4mm的a-SiA10N陶瓷，兩者的設計成分均為Y1/3Si1()Al2ON5，分別添 加了 10% (重量)、5% (重量)的BaAl2Si203作為助燒劑，均是在1900。C條 件下、0.5MPa的氮氣氣氛中無壓燒結60min制成的，其物相構成均為 a-SiAlON、少量卩-SiAlON (質量百分比小于5%)及晶間相BaAl2Si203，兩者 的三點彎曲強度均不小于680MPa、斷裂韌性不小于7.8MPa.m1/2;對以上兩種 材料進行連接，連接方法為SPS法，連接的具體步驟如下 一、將待焊母材 表面用120目粒度的金剛石砂輪磨平整，用乙醇洗去表面污染及雜物；二、將 經步驟一處理的待焊母材的被連接面對放，然后裝入模具(如圖1所示)后置 于SPS爐內，然后將SPS爐內抽真空到壓強〈6Pa，再充入氮氣至SPS爐內壓 強為0.5MPa，然后在1 4min升溫至700。C并對焊件施加20MPa壓力，再以 10(TC/min升溫速率加熱至1700°C，保溫10min,然后停止加熱，撤壓，隨爐 自然冷卻至室溫；即完成了 SiAlON陶瓷同種間的SPS連接。 SPS爐的型號為SPS-2050，生產廠家為日本Sumito公司。 本實施方式中5min內連接后的焊件可降溫到80(TC以下；連接后的焊件 的實物照片如圖2所示。
經測試，本實施方式獲得連接后的焊件的接頭強度比母材強度高20MPa。
具體實施方式
十五本實施方式焊接母材為直徑均為20mm、厚度均為 7mm、分別摻雜金屬離子Y和Yb的a-SiAlON陶瓷，化學式分別為 Yo.4Si9.6Al2.40L2Nw.8和YbfuSi^AlMOuNm,均是采用SPS燒結法在O.lMPa 的氮氣氣氛中施加20MPa壓力、1750'C條件下燒結10min合成的；其物相構 成均為a-SiAlON、少量晶間相(體積含量小于2%)， Y^Si^AlMOuNm的三 點彎曲強度為515 MPa和Ybo.4Si9.6Al2.40,.2Ni4.8的三點彎曲強度為525 MPa， 斷裂韌性不小于5.8MPa*m1/2。連接方法為SPS法，連接方法與具體實施方式
十四不同點在于步驟二中在170(TC下保溫0 20min，其它步驟與參數與具體實 施方式十四相同。
本實施方式中，從開始施焊到焊件出爐，用時不超過40min，與技術背景 中所述的壓力擴散焊相比，大大地提高了工作效率。在170(TC下保溫10min 獲得焊縫組織結構的宏觀形貌如圖3所示，微觀形貌如圖4所示，接頭的抗彎 強度隨170(TC下保溫時間的變化關系如圖5所述;由圖3-4可知焊縫質量好， 由圖5可知隨保溫時間的加長，焊縫的抗彎強度增大。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
十五不同的是在步驟二 隨爐自然冷卻至室溫后，再置于高溫爐中，然后將高溫爐內抽真空到壓強< 10Pa，再充入氮氣至爐內壓強為O.lMPa，然后以30°C/min升溫速率加熱至 1700°C，在170(TC條件下高溫熱處理120min，然后停止加熱，再隨爐自然冷 卻至室溫。其它步驟及參數與具體實施方式
十五相同。
經測試，接頭強度比未處理的接頭頭強度提高30MPa以上。經本實施方 式熱處理后的接縫組織結構如6和圖7所示，與未經高溫處理前的接頭組織圖 3-4相比，可看到SiAlON晶粒向接縫中生長，進而彌補接頭的強韌化機制， 從而提高了接頭強度。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
不同的是在1600-1800°C 條件下保溫10min，其它步驟和參數與具體實施方式
十五相同。
經測試，被連接后的焊件的接頭強度隨連接溫度的升高而略有增加，均高 于530MPa，最大達到547MPa，大于母材的強度。
具體實施方式
十八本實施方式對a-SiAlON陶瓷、p-SiAlON陶瓷采用 SPS法連接。所述的a-SiAlON陶瓷摻雜金屬離子為Yb，成分與具體實施方式
十五所述的相同；卩-SiAlON陶瓷的化學式成分為SksAluOuN^,其物相構 成為純粹的P-SiA10N，晶間相含量不大于2%體積比，(3-SiA10N陶瓷的三點 彎曲強度及斷裂韌性分別為900MPa和11.2MPa*m1/2。連接方法與具體實施方 式十五不同點在于步驟二在170(TC下保溫10min。其它步驟和參數與具體方式 十五相同。
經測試，本實施方式獲得連接后的焊件的接頭強度為922MPa。
具體實施方式
十九本實施方式對兩塊P-Si3N4陶瓷采用SPS法連接，卩-Si3N4陶瓷以a-Si3N4粉末為原料，添加了成分為5%(重量)￥203和2%(重 量)"203重量比的助燒劑，成工藝同具體實施方式
十五；卩-Si3N4陶瓷材料的物 相構成以P-Si3N4為主，含有大約7%體積比的晶間相，三點彎曲強度及斷裂韌 性分別為790MPa和8.2MPa*m1/2。連接方法的步驟和參數與具體實施方式
十 八相同。
采用釬焊方法焊接本實施方式的母材，焊料成分參見陶瓷學報2002年6 月第23巻2期第130頁的記載，在焊接溫度為160(TC、焊件端面壓力為5MPa 的條件下保溫30min，得到接頭強度632 MPa，其接頭強度小于母材的強度； 經測試，本實施方式獲得連接后的焊件的接頭強度不小于817MPa;其接頭強 度大于母材強度。
具體實施方式
二十本實施方式對SiAlON陶瓷和卩-Si3N4陶瓷材料采用 SPS法連接，所述的a-SiA10N陶瓷摻雜金屬離子為Yb，成分與具體實施方式
十五所述的相同；所述的P-Si3N4陶瓷成分與具體實施方式
十九所述的相同； 連接方法的步驟和參數與具體實施方式
十八相同。
經測試，本實施方式獲得連接后的焊件的接頭強度為796MPa。
權利要求
1、SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材料的SPS連接方法，其特征在于SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同種或異種間的SPS連接方法是按下述步驟進行的一、將待焊母材表面用砂輪磨平整，用乙醇洗去表面污染及雜物；二、將經步驟一處理的待焊母材的被連接面對放，裝入模具后置于SPS爐內，將SPS爐內抽真空到壓強＜6Pa，再充入氮氣至SPS爐內壓強為0.1～5MPa，然后升溫的同時逐漸增加焊件端面壓力，溫度升至700℃焊件端面壓力達到1～100MPa，保壓的同時以5～200℃/min升溫速率加熱至1300～1900℃，再保溫0～90min，停止加熱，撤壓，再隨爐自然冷卻至室溫；即完成了SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷同種或異種間的SPS連接；其中步驟一所述的待焊母材為SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材料。
2、 根據權利要求1所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材 料的SPS連接方法，其特征在于步驟二中焊件端面壓力為5 80MPa壓力。
3、 根據權利要求l所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材 料的SPS連接方法，其特征在于步驟二中焊件端面壓力為10~50MPa壓力。
4、 根據權利要求l所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材 料的SPS連接方法，其特征在于步驟二中焊件端面壓力為20MPa壓力。
5、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的SiA10N陶瓷、8131^陶瓷間同種材 料或異種材料的SPS連接方法，其特征在于步驟二中在1400 180(TC條件下保 溫5 20min。
6、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的SiA10N陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材 料或異種材料的SPS連接方法，其特征在于步驟二中在170(TC條件下保溫 10min。
7、 根據權利要求5所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材 料的SPS連接方法，其特征在于步驟二所述的升溫速率為100°C/min。
8、 根據權利要求l、 2、 3 、 4或7所述的SiA10N陶瓷、Si3Ht陶瓷間同 種材料或異種材料的SPS連接方法，其特征在于在步驟二隨爐自然冷卻至室 溫后，再將焊件置于高溫爐中，將高溫爐內抽真空到壓強〈10Pa，再充入氮氣 至爐內壓強為0.1 0.5MPa，然后以5~100°C/min升溫速率加熱至1300-1900。C，在1300 190(TC條件下高溫熱處理30 1800min，然后停止加熱，再隨爐自然 冷卻至室溫。
9、 根據權利要求8所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種材 料的SPS連接方法，其特征在于高溫熱處理的溫度為1500~1800°C。
10、 根據權利要求9所述的SiAlON陶瓷、Si3N4陶瓷間同種材料或異種 材料的SPS連接方法，其特征在于高溫熱處理的時間為60 200min。
全文摘要
SiAlON陶瓷、Si₃N₄陶瓷間同種材料或異種材料的SPS連接方法，它屬于陶瓷材料的連接領域。本發明解決了陶瓷材料連接存在工藝條件復雜、工作效率低、能耗大、接頭強度低的問題。本發明的方法如下一、平整待焊母材表面，乙醇洗滌；二、SPS法連接。本發明具有工藝簡單、工作效率高、能耗小、接頭強度高的優點，接頭強度大于母材強度。
文檔編號C04B37/00GK101575216SQ20091007229
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者劉利盟, 楓 葉 申請人:哈爾濱工業大學