專利名稱：陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，是一種以金屬間化合物為過渡層，在電場(chǎng)作用下進(jìn)行的陶瓷與金屬材料的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法。屬于異種材料連接的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來發(fā)展起來的一類陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法是利用擴(kuò)散焊和釬焊焊接技術(shù)，通過單層或多層陶瓷材料與金屬材料間的連接形成復(fù)合層狀連接界面， 設(shè)置塑性好的材料作為過渡層減緩因材料物理性能差異而產(chǎn)生的連接殘余應(yīng)力。由于這些連接方法的工藝復(fù)雜，工效低和連接強(qiáng)度低，限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，目的在于為了克服上述背景技術(shù)中的不足，公開一種以金屬間化合物為過渡層和電場(chǎng)作用下反應(yīng)擴(kuò)散的陶瓷與金屬之間的連接方法的技術(shù)方案。本發(fā)明陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于是一種電場(chǎng)激活陶瓷復(fù)合材料與金屬材料反應(yīng)擴(kuò)散的連接方法，該方法是在陶瓷和金屬之間添加相應(yīng)的混合粉體，在電場(chǎng)激活作用下產(chǎn)生燃燒反應(yīng)熱，分別將陶瓷材料和金屬材料局部熔化并產(chǎn)生擴(kuò)散反應(yīng)而形成連接的方法，該方法所形成的梯度層狀材料從陶瓷層到金屬層的結(jié)構(gòu)依次為陶瓷層-金屬間化合物過渡層-金屬層，各層的厚度分別為陶瓷層0. 5 2. 0mm，金屬間化合物層0. 2 0. 5mm,金屬層1. 0 5. 0_。層間連接剪切強(qiáng)度為70 90MPa。上述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其所述的金屬間化合物過渡層是由粉體燃燒反應(yīng)形成的，混合金屬粉分別為Fe粉+Al粉，Ni粉+Al粉，Ti粉+Al粉或Fe 粉+Ni粉，按摩爾百分比例均勻混合，粉體的顆粒尺寸為5 20 μ m，燃燒形成的金屬間化合物為 FeAl，Ni3Al, TiAl 或 FeNi 中的一種。上述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于所述的反應(yīng)擴(kuò)散連接是在電場(chǎng)作用下，置于陶瓷和金屬之間的混合金屬粉體產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)過程的化學(xué)方程式為Ni+Fe — NiFe+Q (反應(yīng)熱) (1)Ti+Al — TiAl+Q(反應(yīng)熱) (2)Ni+Al — NiAl+Q (反應(yīng)熱) (3)Fe+Al — FeAl+Q (反應(yīng)熱) (4)所加電場(chǎng)的電流密度為500 1200A/cm2，制備過程試樣的溫度相應(yīng)為600 1300 "C。上述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于上述的陶瓷復(fù)合材料為TiB2、TiC、Zr02與Ni的復(fù)合材料，Ni作為粘結(jié)劑的比例為10 15%;金屬材料為Ni、Ti、Cu、NiCr合金及碳鋼。上述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征為在電場(chǎng)激活作用下， 置于陶瓷層和金屬間的混合粉體產(chǎn)生燃燒反應(yīng)。電場(chǎng)的激活原理如圖1所示。在上下電極1和電極2之間放置剛玉模具5，壓頭3和壓頭4，將裝有試樣坯料7、坯料8、坯料9的剛玉模具置于兩石墨壓頭之間并施加一定壓力，爐內(nèi)真空抽至10_3 10_4Pa后，接通電源調(diào)節(jié)電流到預(yù)定值并保持一段時(shí)間，連接完成后將電流緩慢減小至零，試樣隨爐冷卻至室溫。 試驗(yàn)過程中采取的工藝參數(shù)為電流I = 1000-1600A，通電時(shí)間t = 10-25min，壓力P = 40-70MPa。本發(fā)明陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法優(yōu)點(diǎn)在于，由于過渡層的熱膨脹系數(shù)介于陶瓷和金屬之間，且其中的Ni、Al元素均可與陶瓷復(fù)合材料和金屬中的金屬元素形成互溶和化合，在連接界面具有較好的潤濕性，保證各層間界面的良好結(jié)合，并可顯著緩解層間結(jié)合界面的失配問題，減少熱應(yīng)力和提高熱震性，提高連接體的力學(xué)性能、層間的剪切強(qiáng)度和壓潰強(qiáng)度。中間過渡層的原始粉體在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下快速產(chǎn)生的燃燒反應(yīng)熱使結(jié)合界面區(qū)加熱和局部熔化，形成元素互擴(kuò)散和化合，在壓力的輔助作用下形成層間固相連接，反應(yīng)擴(kuò)散連接法形成的界面如圖2所示。本發(fā)明提出的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，與一般陶瓷與金屬連接方法的區(qū)別是1.在陶瓷復(fù)合材料與金屬的連接界面加入金屬粉體混合物形成金屬間化合物過渡層結(jié)構(gòu)。2.設(shè)置在陶瓷復(fù)合材料與金屬的連接界面的金屬混合粉體，利用強(qiáng)電場(chǎng)作用下燃燒反應(yīng)加熱界面區(qū)，形成擴(kuò)散和反應(yīng)連接。3.用本發(fā)明制備的陶瓷-金屬層狀復(fù)合體的層間連接剪切強(qiáng)度為70 90MPa，具有較高的抗熱振性。


圖1表示陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法的原理圖1、2—上下銅電極，3、4一上下石墨壓頭，5—?jiǎng)傆衲＞撸?—直流電源，7—陶瓷復(fù)合材料，8-金屬，9-金屬混合粉體，10-軸向壓力。圖2連接體的宏觀金相圖，圖中，Α—陶瓷層，B-過渡層，C-金屬層
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1 :TiB2/Ni-Ni3Al_Ni連接結(jié)構(gòu)TiB2/Ni復(fù)合陶瓷，Ni含量10%，Ni板厚度5mm;混合粉體按摩爾百分比3 1混合，粉料粒度為5 10 μ m，按圖1所示方式將TiB2/Ni-Ni3Al-Ni置于電極之間的剛玉模具內(nèi)，將電流升至1300A保持12min，然后降至1000A保持5min，最后關(guān)閉電源，試樣隨爐冷卻至室溫。整個(gè)過程爐內(nèi)真空度約2X10_4Pa，施加單向壓力70MPa，試樣自然冷卻后從模具中取出，連接件的剪切強(qiáng)度為78MPa。實(shí)施方式2 :TiC/Ni-TiAl-Ti連接結(jié)構(gòu)
TiC/Ni復(fù)合陶瓷，Ni含量10%，Ti板厚度5mm ；Ti和Al混合粉體按摩爾百分比1 1混合，粉料粒度為5 10 μ m，按圖1所示方式將TiC/Ni-TiAl-Ti置于電極之間的剛玉模具內(nèi)，將爐溫升至773K，然后將電流調(diào)至1400A保持15min，緩慢降至1200A，保持5min，緩慢降至750A保持5min ；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第7分鐘時(shí)，向反應(yīng)坯料施加42. 5MPa 的單向壓力，直至反應(yīng)結(jié)束；最后關(guān)閉電源，試樣隨爐冷卻至室溫，整個(gè)過程爐內(nèi)真空度約 2X IO-3Pa0試樣自然冷卻后從模具中取出，連接件的剪切強(qiáng)度為90MPa。實(shí)施方式3 :TiB2/Ni-Ni3Al-CrNi合金連接結(jié)構(gòu)TiB2/Ni復(fù)合陶瓷，Ni含量10%，CrNi板厚度5mm ；Ni3Al混合粉體按摩爾百分比 1 1混合，粉料粒度為5 10 μ m，按圖1所示方式將TiB2/Ni-Ni3Al-Ni置于電極之間的剛玉模具內(nèi)，將電流升至1300A保持12min，然后降至1000A保持5min，最后關(guān)閉電源，試樣隨爐冷卻至室溫。整個(gè)過程爐內(nèi)真空度約2X10-4Pa，施加單向壓力70MPa，試樣自然冷卻后從模具中取出，連接件的剪切強(qiáng)度為剪切強(qiáng)度為80MPa。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于是一種電場(chǎng)激活陶瓷復(fù)合材料與金屬材料反應(yīng)擴(kuò)散的連接方法，該方法是在陶瓷和金屬之間添加相應(yīng)的混合粉體，在電場(chǎng)激活作用下產(chǎn)生燃燒反應(yīng)熱，分別將陶瓷材料和金屬材料局部熔化并產(chǎn)生擴(kuò)散反應(yīng)而形成連接的方法，該方法所形成的梯度層狀材料從陶瓷層到金屬層的結(jié)構(gòu)依次為陶瓷層-金屬間化合物過渡層-金屬層，各層的厚度分別為陶瓷層0. 5 2. 0mm，金屬間化合物層0. 2 0. 5mm，金屬層1. 0 5. 0mm，層間連接剪切強(qiáng)度為70 90MPa。
2.按照權(quán)利要求1所述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于所述的金屬間化合物過渡層是由混合粉體燃燒反應(yīng)形成的，混合金屬粉體分別為Fe粉+Al粉 (1 l)、Ni 粉+Al 粉(3 l)、Ti 粉+Al 粉(1 1)或 Fe 粉+Ni 粉(1 1)，按摩爾百分比例均勻混合，其每一種單質(zhì)粉體的顆粒尺寸為5 20μπι，燃燒形成的金屬間化合物過渡層為 FeAl、Ni3Al,、TiAl 或 FeNi 中的一種。
3.按照權(quán)利要求1所述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于所述的電場(chǎng)激活陶瓷復(fù)合材料與金屬材料反應(yīng)擴(kuò)散的連接是在電場(chǎng)作用下，置于陶瓷和金屬之間的混合粉體產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)過程的化學(xué)方程式為Ni+Fe — NiFe+Q (反應(yīng)熱) (1)Ti+Al — TiAl+Q (反應(yīng)熱) (2)Ni+Al — NiAl+Q (反應(yīng)熱) (3)Fe+Al — FeAl+Q (反應(yīng)熱) (4)所加電場(chǎng)的電流密度為500 1200A/cm2，制備過程試樣的溫度為600 1300°C。
4.按照權(quán)利要求1所述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于上述的陶瓷復(fù)合材料為TiB2、TiC和&02中的一種或它們之間的相互組合成與Ni的復(fù)合材料， Ni述的與陶瓷復(fù)合材料連接的金屬材料為Ni、Ti、Cu、NiCr合金或碳鋼。
5.按照權(quán)利要求1所述的陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法，其特征在于所述的在電場(chǎng)激活作用下，置于陶瓷層和金屬層之間的混合粉體產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，其具體操作過程為在上電極1和下電極2之間放置剛玉模具5、石墨上壓頭3和石墨下壓頭4，將裝有試樣陶瓷坯料7、金屬坯料8和混合粉體坯料9的剛玉模具置于兩石墨壓頭之間并施加一定壓力，爐內(nèi)真空抽至10_3 10_4Pa后，接通電源調(diào)節(jié)電流到預(yù)定值并保持一段時(shí)間，連接完成后將電流緩慢減小至零，試樣隨爐冷卻至室溫，試驗(yàn)過程中采取的工藝參數(shù)為電流I = 1000-1600A，通電時(shí)間 t = 10-25 分鐘，壓力 P = 40_70MPa。
全文摘要
一種陶瓷復(fù)合材料與金屬的反應(yīng)擴(kuò)散連接方法屬于陶瓷與金屬材料連接的技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于在陶瓷復(fù)合材料和金屬之間添加相應(yīng)的混合粉體，在電場(chǎng)激活作用下產(chǎn)生燃燒反應(yīng)熱，分別將陶瓷復(fù)合材料和金屬材料局部熔化并產(chǎn)生擴(kuò)散反應(yīng)而形成連接。金屬粉體的燃燒合成形成了性能介于陶瓷和金屬之間的金屬間化合物，緩解了金屬與陶瓷之間的失配問題，電場(chǎng)作用促使界面之間元素的相互擴(kuò)散，有利于提高連接界面的強(qiáng)度。此方法通過燃燒放熱同步實(shí)現(xiàn)了中間層的合成和金屬與陶瓷的連接，具有能耗低和連接強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B37/02GK102219539SQ20111007434
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者孟慶森, 樊文浩, 王福明, 胡利方, 陳少平 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)