一種陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陶瓷與金屬釬焊領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、 化工、電子等領(lǐng)域。但因陶瓷材料的本征脆性和強(qiáng)度分散等特點(diǎn)也使其很難直接用來制造 大尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，限制了其應(yīng)用。在許多場(chǎng)合下，陶瓷材料需要同塑性、韌性及抗 沖擊能力強(qiáng)的金屬結(jié)合在一起，以連接體的形式來使用，使陶瓷與金屬連接構(gòu)成的復(fù)合構(gòu) 件可以獲得金屬、陶瓷性能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，滿足現(xiàn)代工程的需要。
[0003] 但是，陶瓷與金屬的化學(xué)成分和物理性能均有很大差別，特別是兩者的線膨脹系 數(shù)差異很大，如作為陶瓷的Al2〇3線膨脹系數(shù)為5.96 X ΙΟ^Γ1，Si3N4的線膨脹系數(shù)只有3.2 X 10-6K-1，而金屬A1和Fe的線膨脹系數(shù)高達(dá)23 · 6 X 10-6K-1和11 · 7 X 10-吃一1。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，常用的連接金屬與陶瓷的方法是釬焊，即通過釬料熔化使陶瓷與金 屬連接。在釬焊的加熱和冷卻過程中，陶瓷、金屬各自產(chǎn)生膨脹和收縮，由于其線膨脹系數(shù) 差異較大，造成冷卻后在接頭界面及附近產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的承載能 力、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、構(gòu)件精度、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命都有很大影響。隨著陶瓷 與金屬連接接頭殘余應(yīng)力的增加，接頭的力學(xué)性能（如拉伸、剪切強(qiáng)度）降低，疲勞性能下 降。因而，探索陶瓷與金屬之間殘余應(yīng)力的緩解措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)二者的高可靠性的連接尤為重 要。
[0005] 目前國內(nèi)外緩解殘余應(yīng)力的途徑主要集中在以下幾個(gè)方面:第一，選擇合適的連 接材料，例如盡量選用熱膨脹系數(shù)相近的連接材料等;第二，設(shè)計(jì)合理的連接結(jié)構(gòu)，通過合 理的連接結(jié)構(gòu)來降低、抵消和轉(zhuǎn)移殘余應(yīng)力，針對(duì)每一種具體的構(gòu)件需要具體分析和設(shè)計(jì)； 第三，采用合理的焊接工藝，該方法也能夠有效的降低殘余應(yīng)力，但是緩解的程度有限；第 四，添加中間層，這是迄今應(yīng)用最廣泛，也是最成功的方法。通過中間層來緩解陶瓷與金屬 連接接頭的殘余應(yīng)力，并取得了一定效果。但是現(xiàn)有的中間層仍具有吸能作用有限、不能有 效止裂的缺陷。并且，由于殘余應(yīng)力隨著接頭面積的增大而增大，而中間層緩解殘余應(yīng)力的 能力有限，因而陶瓷與金屬的接頭面積較大時(shí)緩解效果不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件，并提供通 過釬焊法制備該構(gòu)件的制備方法，通過在陶瓷和金屬的待焊面之間添加含有泡沫金屬的中 間層，能夠均勻分散并有效的吸收殘余應(yīng)變能，緩解連接界面的殘余應(yīng)力，從而顯著提高陶 瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的強(qiáng)度和熱疲勞性能。
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在于提供一種陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件，包括金屬、陶瓷 以及在陶瓷和金屬的待焊面之間形成的中間層，所述中間層含有上層釬料、泡沫金屬層和 下層釬料。
[0008] 本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過在陶瓷和金屬的待焊面之間形成含有泡沫金屬 的中間層，能夠緩解連接界面的殘余應(yīng)力，具有優(yōu)異的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特性，同時(shí)能夠控制 陶瓷和金屬在釬焊時(shí)發(fā)生的界面反應(yīng)，改變或抑制界面反應(yīng)產(chǎn)物，因而能夠顯著提高陶瓷 與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的強(qiáng)度和熱疲勞性能。
[0009] 發(fā)明人認(rèn)為，這與泡沫金屬獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。從微觀角度來說，泡沫金屬含有 多個(gè)無方向性的泡沫氣孔，在釬焊過程中，上層釬料和下層釬料在高溫下熔化，分別滲透到 泡沫金屬層兩側(cè)表面的多孔結(jié)構(gòu)中，待釬焊完成后，熔融的釬料在各泡沫氣孔中分別獨(dú)立 地凝固收縮，難以形成在整個(gè)接頭面積上應(yīng)力的疊加。換句話說，釬焊過程中集中作用于連 接界面的殘余應(yīng)力被泡沫金屬層中的泡沫氣孔分散并吸收，從而賦予中間層以良好的吸能 減震性能。
[0010]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述泡沫金屬層選自Ni、Mo、Cu、Ti、AlSW 及其合金中的至少一種。
[0011]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述泡沫金屬的孔隙率為20%_95%，優(yōu)選 為60%-90%。若泡沫金屬的孔隙率低于20%，則不能充分發(fā)揮其吸能減震的作用；而若泡 沫金屬的孔隙率大于95%，則會(huì)影響復(fù)合構(gòu)件的整體強(qiáng)度。
[0012]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述泡沫金屬的孔徑為0.01mm-3mm，優(yōu)選 為0. lmm-lmm。若泡沫金屬的孔徑小于0.01mm，則由于氣孔過密，不能有效分散和吸收用于 連接界面的殘余應(yīng)力;而若泡沫金屬的孔徑大于3_，則會(huì)影響復(fù)合構(gòu)件的整體強(qiáng)度。
[0013]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述泡沫金屬的厚度為0.01mm-6mm，優(yōu)選 為0. lmm-lmm。若泡沫金屬的厚度小于0.01mm，則不能充分發(fā)揮其吸能減震的作用；而若泡 沫金屬的厚度大于6_，則會(huì)影響陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的整體連接性和強(qiáng)度。
[0014]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述上層釬料和下層釬料為活性釬料，優(yōu) 選為A1基、Ti基、Cu基、Co基或Ag基釬料，更優(yōu)選為Ag-Cu-Ti釬料。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述Ag-Cu-Ti釬料中Ag的含量為20-30wt%，Ti的含量為3-5wt%，余量為Cu。
[0016] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式在于提供上述陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的制備方法，包 括以下步驟：
[0017] 將上層釬料、下層釬料和泡沫金屬加工成與待焊面面積相同或相近的上釬料層、 下釬料層和泡沫金屬層；
[0018] 在待焊陶瓷表面依次放置下釬料層、泡沫金屬層、上釬料層以及待焊金屬，施加一 定壓力以完成裝配；
[0019] 將裝配好的試樣在真空條件下加熱并保溫一定時(shí)間后冷卻。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，所述待焊金屬可具體的列舉為因瓦合金、不銹鋼、鈦合金、高強(qiáng)鋼、鎳 基高溫合金、可伐合金等;所述待焊陶瓷可具體的列舉為Si0 2玻璃陶瓷、BN陶瓷、TiC金屬陶 瓷、Al2〇3陶瓷、ZrB2陶瓷、Si 3N4陶瓷、Zr02陶瓷、Si02-BN陶瓷等。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明，所述面積相同或相近表示上釬料層、下釬料層和泡沫金屬層與待焊 面面積之差不大于± 15 %，優(yōu)選不大于± 8 %。
[0022] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述上釬料層、下釬料層和泡沫金屬層采 用丙酮進(jìn)行超聲清洗處理，超聲清洗處理的時(shí)間為2-10min。
[0023]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述待焊陶瓷和待焊金屬在裝配前，先對(duì) 其待焊面進(jìn)行打磨和清洗，以去除其表面的氧化膜、油污等雜質(zhì)。
[0024] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述一定壓力為0 · 00IMPa-O · 5MPa。
[0025] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述真空條件的真空度1.0 X 10_3-1.5 X 10-3Pa〇
[0026] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述加熱包括以5-80°C/min的加熱速度加 熱至800-1000°C，保溫時(shí)間為l_120min，優(yōu)選為30-60min。
[0027] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述冷卻包括以5_80°C/min的速度冷卻到 100-400°C，然后自然冷卻至室溫。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明提供的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件，通過在陶瓷和金屬的待焊面之間添 加含有泡沫金屬的中間層能夠緩解連接界面的殘余應(yīng)力，具有優(yōu)異的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特性， 同時(shí)能夠控制陶瓷和金屬在釬焊時(shí)發(fā)生的界面反應(yīng)，改變或抑制界面反應(yīng)產(chǎn)物，因而能夠 顯著提高陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的強(qiáng)度和熱疲勞性能。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法，可以直接利用現(xiàn)有的材料，不需進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理， 易于實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的牢固結(jié)合。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的裝配示意圖，圖1中，1-待焊金 屬，2-上釬料層，3-泡沫金屬層，4-下釬料層，5-待焊陶瓷。
[0031] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所使用的泡沫金屬Ni的形貌圖，其中圖2(a)為宏觀形貌圖， 圖2(b)為微觀形貌圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明中制備完成的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的照片，其中，圖3(a)為對(duì)比 例1的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的微觀組織照片，圖3(b)為實(shí)施例1的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合 構(gòu)件的微觀組織照片，Γ -金屬端，5 陶瓷端，6-裂紋。
[0033] 圖4為本發(fā)明中制備完成的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件發(fā)生斷裂后斷面的形貌圖， 其中圖4(a)為比較例1的陶瓷與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的斷面形貌圖，圖4(b)為實(shí)施例1的陶瓷 與金屬釬焊復(fù)合構(gòu)件的斷面形貌圖。
[0034]圖5為剪切強(qiáng)度測(cè)試示意圖，圖5中，Γ -金屬端，5 陶瓷端，7-夾具，8-推頭。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下述實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但應(yīng)理解的是本發(fā)明的范圍并不限于 下述實(shí)施例。
[0036] 實(shí)施例1
[0037]本實(shí)施例中使用的各配件如下：
[0038] 待焊陶瓷:Al2〇3陶瓷。
[0039] 待焊金屬：lCrl8Ni9Ti不銹鋼。
[0040]泡沫金屬:Ni泡沫金屬，其孔徑為0.1mm、孔隙率為90%，其形貌特征如附圖2所示。 [0041 ]釬料:Ag-Cu-Ti釬料，其配比為Ag: 26 · 77wt %，Cu: 68 · 83wt %，Ti : 4 · 4wt %。
[0042] 1)將上述泡沫金屬加工成Φ lOmmX 0.2mm的圓片（即圓片的直徑為10mm，厚度為 0.2mm)，作為泡沫金屬層;將上述釬料加工成Φ 10mmXO. 1mm的兩個(gè)圓片，分別作為上釬料 層和下釬料層。
[0043] 2)將上述待焊陶瓷和待焊金屬加工成〇10mmX5mm的尺寸，用400#、600#、800#、 1000#水砂紙逐級(jí)打磨待焊表面，去除加工表面的毛刺及氧化膜。
[0044] 3)將上述步驟1)和2)加工完成的待焊陶瓷、待焊金屬、上、下釬料層與泡沫金屬層 放入丙酮中，超聲清洗lOmin