專利名稱：一種用于Si₃N₄陶瓷、C_f/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀 基高溫釬料。
背景技術(shù)：
陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料是很有應(yīng)用前途的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料。但由于陶瓷材料的 加工性能差、耐熱沖擊能力弱，以及制造尺寸大而且形狀復(fù)雜的零件較為困難等缺點(diǎn)，通常 需要與金屬材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來應(yīng)用，或者通過陶瓷自身的連接來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的制造。國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Cf/SiC)的連接研究，公開報(bào)道的 有使用Ni基釬料釬焊Cf/SiC自身以及采用Ti箔-Cu箔疊層連接Cf/SiC與Nb合金的研究結(jié) 果，其中Ni基高溫釬料連接(^/5比自身接頭室溫四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度只有58MPa左右(Qiaoying Tong,Laifei Cheng. "Liquid Infiltration Joining of 2D C/SiC Composite". Science and Engineering of Composite Materials，2006，vol. 13 :p31_36 ；張勇· “Cf/SiC 陶 瓷復(fù)合材料與高溫合金的高溫釬焊研究”.博士學(xué)位論文，鋼鐵研究總院，2006年6月； Jiangtao Xiong, Jinglong Li，F(xiàn)usheng Zhang and Weidong Huang. “Joining of 3D C/ SiC Composite to Niobium Alloy". Scripta Materialia,2006, vol. 55 :pl51_154)。 $ 用Ti箔-Cu箔疊層連接Cf/SiC，其接頭耐熱溫度很難超過50(TC .目前針對(duì)Cf/SiC復(fù)合材 料尚缺乏適用的高溫釬料。在陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料(如Si3N4陶瓷、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷等)的釬焊連接 中，較多地使用傳統(tǒng)的Ag-Cu-Ti (A P Xian, Z Y Si. Journal of Materials Science. 1992， 27:1560;罔村久宣，梶浦宗次，秋塲真人.“炭素繊維/炭素複合材i銅合金i O接合”.溶 ft f IM t _，1996, vol. 14 :p39-46 Jonas Kofi Boadi, Toyohiko Yano, Takayoshi Iseki. "Brazing of Pressureless-sintered SiC Using Ag-Cu-Ti Alloy". Journal of Materials Science, 22 (1987) :p2431-2434 ；W. P. ffeng, H. W. ffu, Y. H. Chai, Τ. H. Chuan g. “InterfacialCharacteristics for Active Brazing of Alumina to SuperalIoys，，， Journal of Advanced Materials, January 1997，p35_40)、Cu_Ti 系活性釬料(翟陽(yáng)，任家 烈，莊麗君，曹余慶，孫李軍.“用非晶態(tài)合金作中間層擴(kuò)散連接Si3N4與40Cr鋼的研究”， 金屬學(xué)才艮.1995,31(9) :B423-427 ；Hyoung Keun Lee, Jai Young Lee. "A study of the wetting, microstructure and bond strength in brazing SiC by Cu-X(X = Ti, V, Nb, Cr) alloys", Journal of Materials Science, 1996，31，p4133_4140)等，雖然某些釬焊接 頭強(qiáng)度較高，但接頭的高溫性能差(工作溫度一般不超過50(TC )，從而制約了結(jié)構(gòu)陶瓷高 溫性能的發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外最近十多年以來在致力于研究Si3N4陶瓷與金屬連接用的新型高溫 釬料，但較多地設(shè)計(jì)以貴重金屬Au、Pd、Pt為基的釬料成分(S Kang and H J Kim,Welding Journal,1995,74(9) :289_s ;S D Peteves, M Paulasto, G Ceccone and V Stamos. Acta Mater. ,1998,46(7) 2407 ；M Paulasto, G Ceccone, S D Peteves, R Voitovich and N
3Eustathopoulos. Ceramic Transactions,1997,77 91 ；RE Loehman. Key Engineering Materials, 1999，161-163 657)。這些釬料存在價(jià)格昂貴的問題。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外還缺乏適用于Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的高溫釬料，而對(duì)于 Si3N4陶瓷、SiC陶瓷、Al2O3陶瓷等，較多地適用AgCuTi釬料，連接接頭高溫性能明顯不足， 新研究的幾種金基等釬料的價(jià)格又很昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足提供一種用于Si3N4陶瓷、Cf/ SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，其成份及重量百分比為 Pd 10. O 59. 0，Ni 0. O 9. 0，Co 0. O 6. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. O 2. 6，B :0. O 2. 6，Cu 余量。其成份及重量百分比還可以為Pd :15. O 55. 0，Ni :1. O 9. 0，Co :1. O 6. 0，
V:4. 5 15. 0，Si 0. 1 2. 6，B :0. O 2. 6，Cu 余量。其成份及重量百分比還可以為Pd :10. O 59. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明所述銅鈀基高溫釬料可以用來直接釬焊陶瓷、 陶瓷基復(fù)合材料，本發(fā)明釬料對(duì)應(yīng)的陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料自身連接接頭強(qiáng)度高而且高溫 (600°C 700°C )性能比較穩(wěn)定，比如本發(fā)明釬料熔化溫度與傳統(tǒng)的系列鎳基釬料大體處 于同一水平，但對(duì)應(yīng)Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的接頭室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度從傳統(tǒng)鎳基釬料對(duì)應(yīng) 的58MPa提高至120 170MPa ；相對(duì)于釬焊陶瓷用的傳統(tǒng)AgCuTi釬料，本發(fā)明釬料的熔化 溫度提高了 250°C 350°C，對(duì)應(yīng)的Si3N4陶瓷(或Si3N4陶瓷基復(fù)合材料)其接頭高溫性能 明顯改善，連接接頭甚至在傳統(tǒng)AgCuTi釬料幾乎熔化的800°C溫度下仍維持接頭室溫強(qiáng)度 的50% 60%。而且，本發(fā)明銅鈀基釬料的成本大約是以貴重金屬Au、Pd為基的釬料的成 本的1/5 1/2。本發(fā)明釬料還可以用來連接相應(yīng)的陶瓷(或陶瓷基復(fù)合材料)/金屬(如 高溫合金等)組合接頭。
具體實(shí)施例方式該種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料，其成份及重量百分 比為:Pd 10. 0 59. 0，Ni 0. 0 9. 0，Co 0. 0 6. 0，V :4· 5 15. 0，Si 0. 0 2. 6，B 0. 0 2. 6，Cu 余量。其成份及重量百分比還可以為:Pd 15. 0 55. 0，Ni 1. 0 9. 0，Co 1. 0 6. 0，
V:4. 5 15. 0，Si 0. 1 2. 6，B :0. 0 2. 6，Cu 余量。其成份及重量百分比還可以為Pd :10. 0 59. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量。制備上述高溫釬料的方法是，首先在氬氣保護(hù)條件下采用電弧熔煉方法將此合金 原料熔煉成合金錠；然后使用下述方法之一制備釬料(1)采用氬氣霧化制粉設(shè)備制備粉末狀釬料；(2)在氬氣保護(hù)條件下采用急冷態(tài)箔材制備設(shè)備制備急冷箔帶釬料；(3)采用電火花線切割方法從合金錠上切出薄片，再將薄片正反面機(jī)械磨光。(4)由合金錠通過多次室溫軋制、熱處理的工藝直接制成合金帶材。使用上述高溫 釬料進(jìn)行釬焊的方法是
4
(1)裝配，根據(jù)連接接頭的要求進(jìn)行陶瓷/陶瓷、或復(fù)合材料、復(fù)合材料、或陶瓷 (陶瓷基復(fù)合材料)/金屬的裝配，在陶瓷/陶瓷的連接界面、或陶瓷/金屬接頭中陶瓷與相 鄰緩釋層之間加入本發(fā)明粉末狀釬料、急冷箔帶釬料、或合金粉末狀釬料，或從合金錠上切 出的釬料薄片，或軋制而成的釬料合金帶材；(2)加熱，焊件裝配后連同夾具一起放入真空加熱爐中，保溫后再隨爐冷卻至室 溫，或者氣體保護(hù)感應(yīng)加熱，保溫后冷卻。以下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述表1給出了本發(fā)明技術(shù)方案所述高溫釬料的實(shí)施例及其每一個(gè)實(shí)施例中的成份 及重量百分比組成。實(shí)施例成 分 (wt%)PdCoNiVSiBCu110.00.02. 54.20.00. 0余215. 00. 05. 46. 90. 00. 5余318. 52. 07.85. 50. 50. 5余421. 01. 06. 08. 00. 30.8余523. 50. 00. 07. 60. 50. 5余625. 02. 04. 06.80. 00. 5余726. 01. 06. 58.81.00. 5余827. 00. 00. 010. 00. 00. 0余930. 00. 03. 010. 00. 00. 5余1033. 50. 03. 611. 20. 30. 5余1136. 03. 05. 09. 00. 50. 0余1238. 56. 07. 510. 50. 50. 8余1341. 00. 00. 08. 50. 00. 0余1443. 63.06. 512.01.00. 0余1545. 00. 00. 010. 00. 00. 0余1648. 50. 00. 09. 20. 00. 0余1750. 02. 07. 08. 00. 00. 5余1852. 53. 04. 06. 30. 51.8余1955. 02. 03. 57. 01. 51.0余2056. 50. 06. 56. 51. 02. 6余2159. 04. 05. 09. 02. 02. 0余2259. 02. 05. 58. 51. 51. 0余2354. 00. 04.06.01. 50. 5余2449. 52. 04. 07. 00. 00.9余2548. 00. 00. 09. 00. 50. 5余2646. 00. 00. 08. 20. 80.8余2744. 01. 53. 86. 80. 50. 5余2842. 20. 01. 04. 52. 61. 0余2941. 20. 00. 09. 00. 00. 0余3040. 52. 03. 08. 00. 81. 0余3138. 45. 09. 05. 61. 50. 5余3237.04. 05. 513.01.00. 5余3333. 82. 03. 011. 50. 50. 5余3432.40. 00. 09. 00. 00. 0余 上述實(shí)施例所述的高溫釬料按如下工藝路線制備(1)選擇純度不低于99.0%的高純Pd、Ni、V、Si、B、Co、Cu，其中B元素在有條件 的情況下可以以Ni-B的形式添加，并按重量配比稱量；(2)在氬氣保護(hù)條件下采用電弧熔煉方法將此合金熔煉成合金錠。(3)采用下述方法之一制備釬料A、采用氬氣霧化制粉設(shè)備制備合金粉末狀釬料；B、在氬氣保護(hù)條件下采用急冷態(tài)箔材制備設(shè)備制備急冷態(tài)箔帶釬料。對(duì)于單輥法 快速凝固過程，單輥需以1000 lOOOOr/min的高速度旋轉(zhuǎn)，釬料錠塊熔化形成液態(tài)后冷卻 速率介于IO3 106K/s之間。C、從合金錠上采用電火花線切割方法切出薄片再正反面機(jī)械磨光后使用。D、由合金錠通過多次室溫軋制、熱處理的工藝直接制成合金帶材。本發(fā)明釬料也可以以合金塊體或由高純度元素按配比混合后直接使用。根據(jù)連接 接頭的要求進(jìn)行陶瓷/陶瓷，或陶瓷(復(fù)合材料)/金屬的裝配，在陶瓷(復(fù)合材料)/陶瓷 (復(fù)合材料)的連接界面、以及陶瓷(復(fù)合材料)/金屬接頭中陶瓷與相鄰緩釋層之間加入 本發(fā)明急冷態(tài)箔帶釬料、或合金粉末狀釬料，或從合金錠上切出的釬料薄片，或釬料合金復(fù) 合軋制帶，裝配后連同夾具一起放入真空加熱爐中，或氣體保護(hù)的感應(yīng)加熱室中，按工藝要 求保溫后再冷卻至室溫。采用表1所示的實(shí)施例1-45的成分釬料，分別以合金粉末狀釬料形式、釬料合 金復(fù)合軋制帶、急冷箔帶、從釬料合金錠上切出釬料薄片、釬料合金帶材使用，在Iiicrc 1250°C的釬焊溫度下進(jìn)行了 Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料自身接頭的連接，對(duì)應(yīng)釬焊接頭的室溫 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)120 170MPa，明顯高于傳統(tǒng)鎳基釬料對(duì)應(yīng)的Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料接頭 室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度58MPa。而且本發(fā)明釬料高溫性能好，其對(duì)應(yīng)Cf/SiC接頭在600°C測(cè)試條 件下可維持接頭室溫強(qiáng)度的90%以上，在700°C測(cè)試條件下可維持接頭室溫強(qiáng)度的80% 90%，在800°C測(cè)試條件下可維持接頭室溫強(qiáng)度的70% 80%。采用表1所示的實(shí)施例1-45的成分釬料，分別以合金粉末狀釬料形式、釬料合 金復(fù)合軋制帶、急冷箔帶、從釬料合金錠上切出釬料薄片、釬料合金帶材使用，在Iiicrc 1250°C的釬焊溫度下獲得Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷連接接頭，對(duì)應(yīng)釬焊接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng) 度達(dá)260 360MPa，而且接頭在60(TC測(cè)試條件下可維持接頭室溫強(qiáng)度的80% 85%，在700°C測(cè)試條件下可維持接頭室溫強(qiáng)度的65% 75%，在80(TC測(cè)試條件下可維持接頭室 溫強(qiáng)度的50% 60%。
權(quán)利要求
一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征在于，其成份及重量百分比為Pd10.0～59.0，Ni0.0～9.0，Co0.0～6.0，V4.5～15.0，Si0.0～2.6，B0.0～2.6，Cu余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬 料，其特征在于其成份及重量百分比組成為Pd :15. 0 55. 0，Ni :1. 0 9. 0，Co :1. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 1 2. 6，B :0. 0 2. 6，Cu 余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬 料，其特征在于其成份及重量百分比組成為Pd :15. 0 55. 0，Ni :1. 0 6. 0，Co :1. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 5 2. 0，B :0. 5 2. 0，Cu 余量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬 料，其特征在于其成份及重量百分比組成為Pd:15. 0 55.0，Ni :0. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Cu 余量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬 料，其特征在于其成份及重量百分比組成為Pd :10. 0 59. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征在于，其 成份及重量百分比為:Pd 10. 0 59. 0，Ni :0· 0 9. 0，Co :0· 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 0 2. 6，B 0. 0 2· 6，Cu 余量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征 在于，其成份及重量百分比為:Pd 10. 0 59. 0，Ni 0. 0 9. 0，Co 0. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Si 0. 0 2. 6，B :0. 0 2. 6，Cu 余量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Si3N4陶瓷釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征在于，其 成份及重量百分比為:Pd :10. 0 59. 0，Ni 0. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征在 于，其成份及重量百分比為:Pd 10. 0 59. 0，Ni 0. 0 6. 0，V :4. 5 15. 0，Cu余量。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC復(fù)合材料釬焊的銅鈀基高溫釬料，其特征在于，其成份及重量百分比為Pd10.0～59.0，Ni0.0～9.0，Co0.0～6.0，V4.5～15.0，Si0.0～2.6，B0.0～2.6，Cu余量。本發(fā)明釬料在1110℃～1250℃的釬焊溫度下獲得Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料連接接頭，對(duì)應(yīng)釬焊接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)120～170MPa；本發(fā)明釬料在1110℃～1250℃的釬焊溫度下獲得Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷連接接頭，對(duì)應(yīng)釬焊接頭的室溫三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)260～360MPa。
文檔編號(hào)B23K35/30GK101920410SQ20101026669
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者李曉紅, 毛唯, 熊華平, 程耀永, 趙海生, 陳波 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院