基于Ni-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于N1-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷具有密度低、強度高、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等諸多優異性能，是軍事裝備、原子能、化工和汽車等工業領域非常有前途的結構材料。但是由于陶瓷不具有可滑移的位錯系統，它的硬度高、脆性大、不易加工成型。為了解決這一問題，工業中常將陶瓷與金屬進行連接，將二者制備成復合構件，以發揮陶瓷和金屬各自優異的性能。焊接是連接陶瓷和金屬最常用的方法，它通過加熱或加壓的方式，使被焊材料形成原子間的擴散和結合。目前常用的陶瓷/金屬焊接方法包括釬焊、擴散焊、自蔓延反應連接、瞬時液相(TLP)擴散連接、激光/電子束焊接等。但無論哪種連接方式，均需要考慮因陶瓷、金屬物理性質的不同所帶來的殘余應力問題。近些年來，研究者主要通過焊接中間層的成分設計和工藝優化來改善接頭的性能，其中最具代表性的就是復合釬料法。該方法以活性Ag-Cu-Ti釬料為基體，混入一定比例的陶瓷顆粒、難熔金屬顆粒或短纖維等作為第二相增強體。利用增強體自身高模量、低熱膨脹系數等特性對焊縫中間層的物理性質進行調節，減少焊縫與陶瓷界面的熱膨脹系數差值，進而緩解異種材料接頭的殘余應力。復合釬料法是一種簡單實用的方法，但它在實際應用中也存在一些問題:首先，活性釬料與增強相的機械混合方式會造成增強相在焊縫內部分布不均勻，易團聚；其次，增強相與活性釬料發生復雜化學反應，易生成脆性金屬間化合物，對接頭性能不利；再次，增強相的加入會降低活性釬料的流動性和潤濕性，容易在焊縫內部產生孔洞、未焊合等缺陷。

【發明內容】

[0003]針對上述【背景技術】存在的不足之處，本發明公開基于N1-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接方法。
[0004]本發明方法采用兩層Ti中間層箔片和一層Ni/N1-B復合箔片為焊接中間層，兩種Ti中間層箔片厚度分別為鈦箔①:10μπι?50μπι和鈦箔②:50?150μπι，初始Ni中間層箔片的厚度為50?100 μm，焊接過程按以下步驟進行:
[0005]一、對金屬基體采用800#、1000#、1200#、1500#砂紙打磨表面，然后浸入丙酮溶液超聲清洗5min，晾干備用；對陶瓷基體采用1200#和1500#金剛石磨盤打磨表面，浸入丙酮溶液超聲清洗5min，晾干備用；
[0006]二、取T1、Ni中間層箔片，首先將其浸入丙酮溶液中超聲清洗5min，之后放入除氧化膜溶液浸泡10?15min進行除氧化膜處理，然后取出T1、Ni中間層箔片用清水沖洗干凈，晾干備用；所述的除氧化膜溶液是由質量百分含量為2%?5%的HF、質量百分含量為20%?45%的ΗΝ0#Ρ余量的水組成；
[0007]三、取厚度為50μπι?ΙΟΟμπι步驟二處理的Ni中間層箔片，浸入丙酮溶液中超聲清洗5min，之后在Ni中間層箔片一側沉積1 μ m?5 μ m厚的Ni_B非晶合金層，得Ni/N1-B復合箔片；然后對Ni/N1-B復合箔片采用清水清洗，晾干備用；其中，所述的N1-B非晶合金層的B含量為3wt.%?6wt.% ；
[0008]四、取步驟一處理的陶瓷、金屬、步驟二處理后的Ti中間層箔片以及步驟三得到的Ni/N1-B復合箔片以疊放方式組裝成待焊件，組裝順序為:金屬/Ti中間層箔片/Ni/N1-B復合箔片/Ti中間層箔片/陶瓷；將待焊件置于真空擴散焊爐中，施加5?lOMPa壓力，并抽真空至5X10 4?1X10 3Pa，然后將真空擴散焊爐以30°C /min的速度升溫至900°C，保溫5min，再以10°C /min的速度升溫至950?1000°C，保溫5?30min，再以5°C /min的速度降溫至300°C，最后焊接件隨爐冷卻至室溫，完成所述的基于N1-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接；其中，Ni/N1-B復合箔片的N1-B非晶合金層靠近陶瓷一側，兩層Ti中間層箔片的總厚度與不包含N1-B非晶合金層的Ni中間層箔片厚度的厚度比例為1: (1.0 ?2.5) ο
[0009]本發明包含以下有益效果:
[0010]本發明的方法原理:焊接中間層存在Ti/Ni和Ti/N1-B兩種反應界面，當溫度高于942°C，兩界面通過T1-Ni接觸反應產生共晶瞬時液相。對于Ti/N1-B反應界面，B原子隨Ni的溶解逐步均勻地進入液相，與Ti發生如下反應:
[0011 ] Ti+B — TiB Δ rG = -163200+5.9TJ/mol
[0012]TiB為細針狀陶瓷晶須，具有較高的模量和較低的熱膨脹系數。其作為增強體可有效調節焊縫整體的熱膨脹系數，降低接頭應力。由于生成TiB增強體的反應是在焊接過程中原位產生，這樣就避免了復合釬料法中出現的增強體混合不均勻以及易團聚的問題，改善了接頭組織和力學性能。此外，本發明中TiB原位反應僅出現在焊縫瞬時液相區內，由于原位反應速率和N1-B層的溶解速率以及N1-B層B含量緊密相關，可以通過連接工藝控制和N1-B層成分控制精確調節TiB生長。
[0013]試驗表明，使用本發明的方法連接GH99合金和A1203陶瓷，制備的GH99/Ti/(Ni/N1-B)/Ti/Al203接頭抗剪強度可達92?136MPa，比未采用原位反應的GH99/Ti/Ni/Ti/A1203接頭強度提高43%?72%。
[0014]現有專利(申請號:201010215105.公開號:CN101863677A)也提出了一種原位自生TiB晶須提高陶瓷釬焊接頭強度的方法。本發明與現有專利的不同在于，本發明采用了電鍍或化學鍍的方法制備N1-B非晶合金層，以N1-B非晶合金層作為原位反應的硼源。本發明的方法能夠使TiB生成位置和生成密度可控，進而有利于提高接頭性能。本發明制備的接頭與對比文件制備的接頭相比，抗剪強度提高了約20%?40%。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的陶瓷/金屬待焊件組裝方式示意圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式的基于N1-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接方法，它是按照以下步驟進行:
[0017]一、對金屬基體采用800#、1000#、1200#、1500#砂紙打磨表面，然后浸入丙酮溶液超聲清洗5min，晾干備用；對陶瓷基體采用1200#和1500#金剛石磨盤打磨表面，浸入丙酮溶液超聲清洗5min，晾干備用；
[0018]二、取T1、Ni中間層箔片，首先將其浸入丙酮溶液中超聲清洗5min，之后放入除氧化膜溶液浸泡10?15min進行除氧化膜處理，然后取出T1、Ni中間層箔片用清水沖洗干凈，晾干備用；所述的除氧化膜溶液是由質量百分含量為2%?5%的HF、質量百分含量為20%?45%的ΗΝ0#Ρ余量的水組成；
[0019]三、取厚度為50 μπι?ΙΟΟμπι步驟二處理的Ni中間層箔片，浸入丙酮溶液中超聲清洗5min，之后在Ni中間層箔片一側沉積1 μ m?5 μ m厚的Ni_B非晶合金層，得Ni/N1-B復合箔片；然后對Ni/N1-B復合箔片采用清水清洗，晾干備用；其中，所述的N1-B非晶合金層的B含量為3wt.%?6wt.% ；
[0020]四、取步驟一處理的陶瓷、金屬、步驟二處理后的Ti中間層箔片以及步驟三得到的Ni/N1-B復合箔片以疊放方式組裝成待焊件，組裝順序為:金屬/Ti中間層箔片/Ni/N1-B復合箔片/Ti中間層箔片/陶瓷；將待焊件置于真空擴散焊爐中，施加5?lOMPa壓力，并抽真空至5X10 4?1X10 3Pa，然后將真空擴散焊爐以30°C /min的速度升溫至900°C，保溫5min，再以10°C /min的速度升溫至950?1000°C，保溫5?30min，再以5°C /min的速度降溫至300°C，最后焊接件隨爐冷卻至室溫，完成所述的基于N1-B/Ti瞬時液相原位反應的陶瓷/金屬連接；其中，Ni/N1-B復合箔片的N1-B非晶合金層靠近陶瓷一側，兩層Ti中間層箔片的總厚度與不包含N1-B非晶合金層的Ni中間層箔片厚度的厚度比例為1: (1.0 ?2.5) ο
[0021]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中所述的在Ni中間層箔片一側的表面沉積N1-B非晶合金層是指采用化學鍍鎳硼合金法或電鍍鎳硼合金法進行沉積。其它與【具體實施方式】一相同。
[0022]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的化學鍍鎳硼合金法的條件為:化學鍍溶液含有濃度為5g/L的NiCl