本發(fā)明涉及釬焊3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷的釬料及釬焊方法，屬于釬焊領域。

背景技術：

3D打印是一種新型的快速原型制造技術，它通過三維建模軟件對形部件進行建模，通過軟件對三維模型進行切片，最終通過計算機輸出控制信號控制專用的3D打印機進行打印。不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫和力學性能優(yōu)良等特性。由于其粉末特性好、制備工藝簡單且成本低，十分適合3D打印的技術。用3D打印出的不銹鋼沒有鑄造熔化等方面的缺陷，組織成分均勻，力學性能優(yōu)良。氮化硅陶瓷是一種優(yōu)異的高溫工程材料，硬度高，耐熱沖擊性好，比強度高。將3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷用釬焊的手段連接起來，可以發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，基體的3D打印不銹鋼有較好的的塑韌性，能較好的抵抗一定的沖擊和變形。氮化硅陶瓷可用于高溫耐腐蝕的工作環(huán)境中，可用于高溫連接件等領域。關于不銹鋼和陶瓷的連接方法，目前主要采用釬焊的方法。中國專利105436741公開了一種連接金屬與陶瓷的釬料。其主要成分為銀銅銦鈦，具體成分比為：Cu19.2％～28.2％，In8.2％～19.4％，Ti3.5％～7.2％。雖然該釬料可以成功的完成陶瓷和不銹鋼的連接，但是由于陶瓷和不銹鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，焊后容易在焊接層產(chǎn)生較大的應力集中，形成缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種釬焊3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷的釬料及釬焊方法，該釬料釬料加入的稀土元素一方面可以起到降熔，細化晶粒的作用，另一方面，加入的適量中間銅箔層可以利用銅箔良好的塑性變形來緩解接頭殘余應力，使得接頭殘余應力分布得到改善，接頭強度極大提高。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種釬焊3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷的釬料，該釬料按重量百分比計的元素成分包括：Cu20.0％～25.0％，In15.0％～18.0％，Ti5.0％～8.0％，Zr5.0％～10.0％，Ce0.01～0.05％，余量為Ag。

作為優(yōu)選，所述釬料按重量百分比計的元素成分包括：Cu21.0％～24.0％，In15.0％～17.0％，Ti6.0％～8.0％，Zr6.0％～9.0％，Ce0.02～0.04％，余量為Ag。

作為優(yōu)選，所述釬料按重量百分比計的元素成分包括：Cu22.0％，In16.0％，Ti7.0％，Zr8.0％，Zr8.0％，Ce0.03％，余量為Ag。

作為優(yōu)選，所述釬料為箔片狀，厚度為60～150μm。

一種利用上述的釬焊3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷的釬料的釬焊方法，包括以下步驟：

(1)準備階段：對待焊的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W40～W7號金相砂紙對3D打印不銹鋼進行研磨光滑，利用W7號金相砂紙將釬料箔片和銅箔片雙面進行研磨光滑，研磨后將待焊試樣、釬料和銅箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理；

(2)裝配階段：將清洗后的釬料及銅箔片置于D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷待焊表面之間，按以下順序：3D打印不銹鋼/釬料/銅箔片/釬料/氮化硅陶瓷，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.05～0.08MPa的恒定垂直壓力；

(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于3×10-4Pa的釬焊設備中，首先以10～15℃/min的速率升溫至450～500℃，保溫30～40min，再以8～10℃/min的速率升溫至780～820℃，保溫時間20～25min，再以4～6℃/min的速率冷卻至300～350℃，最后隨爐冷卻至室溫，完成焊接。

作為優(yōu)選，所述銅箔片厚度為60～80μm。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提供的銅基釬料釬焊溫度在750℃～800℃，釬料熔化溫度適中，釬料熔化均勻，與已有該方面的專利相比，加入了Zr元素能使釬料熔點進一步降低，同時Zr與Fe相互擴散，形成FeZr2、Fe2Zr等固溶體，與Cu形成Cu-Zr相，與C形成ZrC化合物，微量的稀土元素Ce能最大限度的細化銀基組織，起到細晶強化的作用，上述的固溶體和相分布在連接層和擴散層，比例均勻，組織緊密，中間層的銅箔使得釬料對母材具有良好的潤濕性和鋪展性，獲得的釬焊接頭強度高，耐蝕性好，完全能應用于復雜環(huán)境中，是一種綜合性能良好的經(jīng)濟型釬料；

(2)本發(fā)明設計的釬焊工藝簡單合理，采用真空爐中釬焊方法，釬焊過程無須添加釬劑及其他保護措施，高真空環(huán)境配合合理的工藝參數(shù)設定，使得整個構件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，有助于獲得力學性能良好的釬焊接頭；

(3)本發(fā)明提供的稀土型銀基釬料具有優(yōu)異常溫和高溫性能，能與母材充分發(fā)生固溶冶金反應，配合使用本發(fā)明簡單實用的釬焊工藝最終能獲得綜合性能良好的連接接頭。

具體實施方式

實施例1

選擇3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷進行對接接頭真空釬焊。其中3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷尺寸均為20mm×20mm×5mm，待釬焊面為20mm×5mm截面。

釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu20.0％，In15.0％，Ti5.0％，Zr5.0％，Ce0.01％，余量為Ag。釬料厚度為60μm，銅箔厚度為60μm，釬焊工藝步驟為：

(1)準備階段：對待焊的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W40～W7號金相砂紙對3D打印不銹鋼進行研磨光滑，利用W7號金相砂紙將釬料箔片和銅箔片雙面進行研磨光滑，研磨后將待焊試樣、釬料和銅箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15min，并進行烘干處理；

(2)裝配階段：將清洗后的釬料及銅箔片置于D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷待焊表面之間，按以下順序：3D打印不銹鋼/釬料/銅箔片/釬料/氮化硅陶瓷，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.05MPa的恒定垂直壓力；

(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于3×10-4Pa的釬焊設備中，首先以10℃/min的速率升溫至450℃，保溫30min，再以8℃/min的速率升溫至780℃，保溫時間20min，再以4℃/min的速率冷卻至300℃，最后隨爐冷卻至室溫，完成焊接。

結果：釬焊獲得的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷接頭成型良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為45MPa。

實施例2

3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷進行對接接頭真空釬焊。其中3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷尺寸均為20mm×20mm×5mm，待釬焊面為20mm×5mm截面。

釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu22.0％，In16.0％，Ti7.0％，Zr8.0％，Ce0.03％，余量為Ag。提供的釬料厚度為80μm，銅箔厚度為70μm，釬焊工藝步驟為：

(1)準備階段：對待焊的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W40～W7號金相砂紙對3D打印不銹鋼進行研磨光滑，利用W7號金相砂紙將釬料箔片和銅箔片雙面進行研磨光滑，研磨后將待焊試樣、釬料和銅箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗18min，并進行烘干處理；

(2)裝配階段：將清洗后的釬料及銅箔片置于D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷待焊表面之間，按以下順序：3D打印不銹鋼/釬料/銅箔片/釬料/氮化硅陶瓷，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.06MPa的恒定垂直壓力；

(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于3×10-4Pa的釬焊設備中，首先以12℃/min的速率升溫至480℃，保溫35min，再以9℃/min的速率升溫至800℃，保溫時間22min，再以5℃/min的速率冷卻至320℃，最后隨爐冷卻至室溫，完成焊接。

結果：釬焊獲得的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷接頭成型良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為47MPa。

實施例3

選擇3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷進行對接接頭真空釬焊。其中3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷尺寸均為20mm×20mm×5mm，待釬焊面為20mm×5mm截面。

釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu25.0％，In18.0％，Ti8.0％，Zr10.0％，Ce0.05％，余量為Ag。提供的釬料厚度為150μm，銅箔厚度為80μm。

釬焊工藝步驟為：

(1)準備階段：對待焊的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，利用W40～W7號金相砂紙對3D打印不銹鋼進行研磨光滑，利用W7號金相砂紙將釬料箔片和銅箔片雙面進行研磨光滑，研磨后將待焊試樣、釬料和銅箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗20min，并進行烘干處理；

(2)裝配階段：將清洗后的釬料及銅箔片置于D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷待焊表面之間，按以下順序：3D打印不銹鋼/釬料/銅箔片/釬料/氮化硅陶瓷，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.08MPa的恒定垂直壓力；

(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于3×10-4Pa的釬焊設備中，首先以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫40min，再以10℃/min的速率升溫至820℃，保溫時間25min，再以6℃/min的速率冷卻至350℃，最后隨爐冷卻至室溫，完成焊接。

結果：釬焊獲得的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷接頭成型良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為49MPa。

實施例4

選擇3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷進行對接接頭真空釬焊。其中3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷尺寸均為20mm×20mm×5mm，待釬焊面為20mm×5mm截面。

釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu21.0％，In15.0％，Ti6.0％，Zr6.0％，Ce0.02％，余量為Ag。提供的釬料厚度為150μm，銅箔厚度為80μm。

釬焊工藝與實施例1相同。

結果：釬焊獲得的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷接頭成型良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為46MPa。

實施例5

選擇3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷進行對接接頭真空釬焊。其中3D打印不銹鋼與氮化硅陶瓷尺寸均為20mm×20mm×5mm，待釬焊面為20mm×5mm截面。

釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu24.0％，In17.0％，Ti8.0％，Zr9.0％，Ce0.04％，余量為Ag。提供的釬料厚度為150μm，銅箔厚度為80μm。

釬焊工藝與實施例1相同。

結果：釬焊獲得的3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷接頭成型良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為47MPa。

對比實施例

與實施例1相比，僅僅釬料的成分不同，釬料如表1所示：

表1

由表1可知，實施例1-3制得的釬焊接頭微觀結構致密，均勻分布，連接界面明顯，剪切強度在45-49MPa之間，由此可知本發(fā)明用于釬焊3D打印不銹鋼和氮化硅陶瓷的釬料具備良好的附著力和潤濕性能，且釬焊接頭結合強度高。

對比實施例1表明：適量的銅元素可以有效地和母材、釬料中的元素形成固溶體結合，有利于接頭的形成，缺乏銅元素會導致接頭開裂甚至無法焊上。對比實施例2表明：釬料中的稀土元素銦能夠有效地改善釬料對母材的潤濕性，細化晶粒，提高接頭強度。對比實施例3表明：適量的Ti可以改善釬料對母材的潤濕，同時與母材和釬料中其他元素形成固溶體，保證接頭達到冶金結合。對比實施例4表明：微量的Zr可以形成FeZr2、Fe2Zr等固溶體，與Cu形成Cu-Zr相，與C形成ZrC化合物，改善接頭的力學性能，使得組織致密。當然上述元素均有適量的范圍限定，當Ti、Zr含量過高時，易產(chǎn)生大量的脆性化合物，降低接頭的力學性能。銅含量過高會導致釬焊過程中將部分熔化的釬料擠出，影響接頭的形成。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。