用銀銅鈦釬料釬焊連接tc4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，采用銀銅鈦釬料作為中間層，通過在保護(hù)氣氛氬氣中加熱實(shí)施釬焊，將膏狀的銀銅鈦釬料均勻的涂抹在TC4鈦合金的表面，將Si3N4陶瓷置于銀銅鈦釬料的上面，并與TC4鈦合金對齊，用夾具固定后放入坩堝內(nèi)并置于管式爐中，以氬氣為保護(hù)氣，以10℃/min速度升溫至830～890℃，保溫10～30min，再以5℃/min的速度冷卻至700℃，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)釬焊連接。本發(fā)明利用銀銅鈦釬料優(yōu)異的熱膨脹性能彌補(bǔ)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的熱膨脹系數(shù)的不匹配，防止裂紋的形成，有廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的潛在價值。
【專利說明】用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬與陶瓷連接【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種使用銀銅鈦釬料實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的釬焊連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TC4鈦合金材料比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱性強(qiáng)、耐低溫性能以及優(yōu)良的綜合性能，這些優(yōu)異性能使其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動機(jī)中能夠獲得了廣泛的應(yīng)用。以TC4鈦合金為材料生產(chǎn)的零件包括葉片、壓氣機(jī)盤、風(fēng)扇盤等。但對于目前提出的高溫環(huán)境的要求，TC4鈦合金還是不能達(dá)到服役要求。Si3N4陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕及抗熱震性能好等特點(diǎn)，同時，還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000°C以上，急劇冷卻再急劇加熱都不會碎裂。在航空航天領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。然而，由于Si3N4陶瓷存在脆性大、延性低、加工難度等問題，大型及復(fù)雜形狀Si3N4陶瓷部件制造困難，同時，Si3N4陶瓷的生產(chǎn)成本比較高。故在實(shí)際應(yīng)用中，Si3N4陶瓷在很多場合都需要與金屬材料連接制成金屬/陶瓷復(fù)合構(gòu)件，這樣一方面能夠發(fā)揮陶瓷和金屬各自的優(yōu)良性能，另一方面也能夠節(jié)約成本，保證構(gòu)件質(zhì)量。因此，Si3N4陶瓷和TC4鈦合金的連接技術(shù)具有非常重要的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出一種用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，利用銀銅鈦釬料優(yōu)異的熱膨脹性能彌補(bǔ)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的熱膨脹系數(shù)的不匹配，防止裂紋的形成。利用銀銅鈦釬料中Ti對Si3N4的活化作用形成反應(yīng)層，實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的釬焊連接。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，采用銀銅鈦釬料作為中間層，通過在保護(hù)氣氛氬氣中加熱實(shí)施釬焊，實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的連接，該方法包括以下步驟:
[0005]制備膏狀的銀銅鈦釬料:按照聚乙烯醇與蒸餾水的重量比為1: 10，配置聚乙烯醇溶液，攪拌Ih后靜置3-4h ;將上述銀銅鈦釬料和聚乙烯醇溶液按照重量比為5:1進(jìn)行混合攪拌均勻，制成膏狀，備用；
[0006]對TC4鈦合金和Si3N4陶瓷進(jìn)行預(yù)處理:將TC4鈦合金，氬氣保護(hù)下在850°C的溫度下保溫30min，隨爐冷卻至室溫，并進(jìn)行打磨和拋光處理；使用0.5M的金剛石研磨膏對Si3N4陶瓷進(jìn)行拋光處理；將TC4鈦合金和Si3N4陶瓷在丙酮和乙醇混合溶液中超聲清洗15min，干燥后待用，所述丙酮和乙醇的體積比為1:1 ;
[0007]釬焊:將膏狀的銀銅鈦釬料均勻的涂抹在TC4鈦合金的表面，厚度為0.8?
1.2mm,將Si3N4陶瓷置于銀銅鈦釬料的上面，并與TC4鈦合金對齊，用夾具固定后放入坩堝內(nèi)并置于管式爐中，以氬氣為保護(hù)氣，以10°C /min速度升溫至830?890°C，保溫10?30min，再以5°C /min的速度冷卻至700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:[0009]本發(fā)明通過控制釬焊的溫度和時間，以控制反應(yīng)層的形貌、厚度及成分。本發(fā)明的設(shè)計思想是:在830?890°C的溫度下，銀銅鈦釬料中的銀銅合金熔化，形成液態(tài)，鈦在銀銅鈦釬料中擴(kuò)散到Si3N4陶瓷的界面，通過與Si3N4發(fā)生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對Si3N4陶瓷的潤濕，鈦與Si3N4發(fā)生反應(yīng)生成TiN和Si，Si擴(kuò)散到釬料中與釬料中的鈦反應(yīng)生成Ti5Si3，形成反應(yīng)層(中間層)，從而實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷和釬料的連接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例2釬焊后得到的接頭的SEM形貌圖；
[0011]圖2是本發(fā)明實(shí)施例3釬焊后得到的接頭的SEM形貌圖及對應(yīng)的元素面分布圖，其中，Ca)為橫截面形貌圖，(b)為元素Si，(c)為元素Ti，Cd)為元素Cu，Ce)為元素Ag，(f)為元素V;
[0012]圖3銀銅鈦釬料釬焊TC4鈦合金和Si3N4陶瓷在870°C保溫IOmin的背散射照片和對應(yīng)的線分析。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明一種用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，采用銀銅鈦釬料作為中間層，通過在保護(hù)氣氛氬氣中加熱實(shí)施釬焊，實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的連接。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。提供實(shí)施例是為了理解的方便，絕不是限制本發(fā)明。
[0014]本發(fā)明實(shí)施例中所用膏狀的銀銅鈦釬料制備:按照聚乙烯醇與蒸餾水的重量比為1:10，配置聚乙烯醇溶液，攪拌Ih后靜置3-4h ;將上述銀銅鈦釬料和聚乙烯醇溶液按照重量比為5:1進(jìn)行混合攪拌均勻，制成膏狀，備用；
[0015]本發(fā)明實(shí)施例中所用的Si3N4陶瓷由深圳市海德精密陶瓷有限公司采用Si3N4粉成型后經(jīng)過熱壓燒結(jié)而成，采用尺寸為20mmX IOmmX 3mm Si3N4陶瓷試樣。TC4鈦合金由東莞市鴻鈦金屬材料有限公司供應(yīng)，其化學(xué)成分為:A15.5-6.8%，V3.5-4.5%，其余為Ti。將該TC4鈦合金線切割為20mmX IOmmX 3mm的試樣，在氬氣的保護(hù)下在850°C的溫度下保溫30min,隨爐冷卻至室溫，進(jìn)行退火處理。
[0016]對上述熱處理后的TC4鈦合金進(jìn)行打磨和拋光處理，使用0.5M的金剛石研磨膏對上述Si3N4陶瓷片進(jìn)行拋光處理；將TC4鈦合金和Si3N4陶瓷在丙酮和乙醇混合溶液中超聲清洗15min，干燥后待用，所述丙酮和乙醇的體積比為1:1 ；
[0017]釬焊實(shí)施例1:
[0018]稱量Ig的膏狀的銀銅鈦釬料，均勻涂抹于TC4鈦合金試樣片的表面，涂抹的厚度為0.8mm，將Si3N4陶瓷試樣片置于該TC4鈦合金試樣片的上面，兩者保證對齊。然后用夾具將兩者固定后放置于坩堝內(nèi)并置于管式爐中，在氬氣的保護(hù)下，以10°C /min的速度加熱至830°C，保溫lOmin，然后以5°C /min的速度冷卻到700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。TC4鈦合金試樣片與Si3N4陶瓷試樣片實(shí)現(xiàn)連接，連接強(qiáng)度達(dá)到17.3MPa。
[0019]釬焊實(shí)施例2:
[0020]稱量Ig的膏狀的銀銅鈦釬料，均勻涂抹于TC4鈦合金試樣片的表面，涂抹的厚度為1.0mm，將Si3N4陶瓷試樣片置于該TC4鈦合金試樣片的上面，兩者保證對齊。然后用夾具將兩者固定后放置于坩堝內(nèi)并置于管式爐中，在氬氣的保護(hù)下，以10°c /min的速度加熱至850°C，保溫lOmin，然后以5°C /min的速度冷卻到700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。TC4鈦合金試樣片與Si3N4陶瓷試樣片實(shí)現(xiàn)連接，連接強(qiáng)度達(dá)到33.7MPa。
[0021]結(jié)果分析:850°C保溫IOmin得到的接頭的SEM形貌如圖1所示，區(qū)域I為Si3N4陶瓷基體，區(qū)域2為Si3N4陶瓷與釬料形成的反應(yīng)層，區(qū)域3為釬料層，區(qū)域4為TC4鈦合金和釬料形成的合金層，區(qū)域5為TC4鈦合金基體。圖3-1是銀銅鈦釬料釬焊TC4鈦合金和Si3N4陶瓷在870°C保溫IOmin的背散射照片圖3_2是圖3_1對應(yīng)的線分析。
[0022]釬焊實(shí)施例3:
[0023]稱量Ig的膏狀的銀銅鈦釬料，均勻涂抹于TC4鈦合金試樣片的表面，涂抹的厚度為1.2mm，將Si3N4陶瓷試樣片置于該TC4鈦合金試樣片的上面，兩者保證對齊。然后用夾具將兩者固定后放置于坩堝內(nèi)并置于管式爐中，在氬氣的保護(hù)下，以10°C /min的速度加熱至870°C，保溫lOmin，然后以5°C /min的速度冷卻到700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金試樣片與Si3N4陶瓷試樣片連接，連接強(qiáng)度達(dá)到24.7MPa。
[0024]結(jié)果分析:870°C保溫IOmin得到的接頭的SEM形貌圖及對應(yīng)的元素面分布圖，如圖2所示。其中，Ca)為橫截面形貌圖，(b)為元素Si，(c)為元素Ti，Cd)為元素Cu，Ce)為元素Ag，(f)為元素V ;從圖2可以看到，TC4鈦合金試樣片和Si3N4陶瓷試樣片之間形成了緊密的結(jié)合。
[0025]釬焊實(shí)施例4:
[0026]稱量Ig的膏狀的銀銅鈦釬料，均勻涂抹于TC4鈦合金試樣片的表面，涂抹的厚度為1.0mm，將Si3N4陶瓷試樣片置于該TC4鈦合金試樣片的上面，兩者保證對齊。然后用夾具將兩者固定后放置于坩堝內(nèi)并置于管式爐中，在氬氣的保護(hù)下，以10°C /min的速度加熱至850°C，保溫20min，然后以5°C /min的速度冷卻到700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金試樣片與Si3N4陶瓷試樣片連接，連接強(qiáng)度達(dá)到23.1MPa0
[0027]釬焊實(shí)施例5:
[0028]稱量Ig的膏狀的銀銅鈦釬料，均勻涂抹于TC4鈦合金試樣片的表面，涂抹的厚度為1.0mm，將Si3N4陶瓷試樣片置于TC4鈦合金試樣片的上面，兩者保證對齊。然后用夾具將兩者固定后放置于坩堝內(nèi)并置于管式爐中，在氬氣的保護(hù)下，以10°C /min的速度加熱至850°C，保溫30min，然后以5°C /min的速度冷卻到700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金試樣片與Si3N4陶瓷試樣片連接。
[0029]盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，采用銀銅鈦釬料作為中間層，通過在保護(hù)氣氛氬氣中加熱實(shí)施釬焊，實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金和Si3N4陶瓷的連接，該方法包括以下步驟: 制備膏狀的銀銅鈦釬料:按照聚乙烯醇與蒸餾水的重量比為1:10，配置聚乙烯醇溶液，攪拌Ih后靜置3-4h ;將上述銀銅鈦釬料和聚乙烯醇溶液按照重量比為5:1進(jìn)行混合攪拌均勻，制成膏狀，備用； 對TC4鈦合金和Si3N4陶瓷進(jìn)行預(yù)處理:將TC4鈦合金，氬氣保護(hù)下在850°C的溫度下保溫30min,隨爐冷卻至室溫,并進(jìn)行打磨和拋光處理；使用0.5M的金剛石研磨膏對Si3N4陶瓷進(jìn)行拋光處理；將TC4鈦合金和Si3N4陶瓷在丙酮和乙醇混合溶液中超聲清洗15min，干燥后待用，所述丙酮和乙醇的體積比為1:1 ; 釬焊:將膏狀的銀銅鈦釬料均勻的涂抹在TC4鈦合金的表面，厚度為0.8~1.2mm，將Si3N4陶瓷置于銀銅鈦釬料的上面，并與TC4鈦合金對齊，用夾具固定后放入坩堝內(nèi)并置于管式爐中，以氬氣為保護(hù)氣，以10°C /min速度升溫至830~890°C，保溫10~30min，再以50C /min的速度冷卻至700°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，其中，銀銅鈦釬料由下述組分和重量百分比組成:Ag72Cu2895.5%，Τ?4.5%，熔點(diǎn)為780°C，顆粒平均大小為300目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用銀銅鈦釬料釬焊連接TC4鈦合金和氮化硅陶瓷的方法，其中，TC4鈦合金由下述組分和重量百分比組成:A15.5~6.8%，V3.5~4.5%，其余為Ti。
【文檔編號】B23K1/008GK103752971SQ201310695260
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】孟建芳, 崔振鐸, 楊賢金, 朱勝利, 梁硯琴 申請人:天津大學(xué)