本發(fā)明涉及SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的釬焊方法。
背景技術(shù)：
由于材料在航空航天領(lǐng)域中的服役條件越發(fā)苛刻，所以對該領(lǐng)域中應(yīng)用的先進(jìn)材料提出越來越高的要求。SiO2陶瓷基復(fù)合材料憑借其質(zhì)量輕、耐高溫性能好、機(jī)械性能優(yōu)良得到越來越多的關(guān)注。作為一種關(guān)鍵的保護(hù)和電氣部件，SiO2陶瓷基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航天飛行器的天線罩上。SiO2陶瓷基復(fù)合材料加工成型性差，難以制成大尺寸或者復(fù)雜構(gòu)件，因此在其作為天線罩材料的裝配及使用中，需要在其端部與金屬材料實(shí)現(xiàn)有效連接，從而獲得成品構(gòu)件。
目前，陶瓷-金屬連接常用的方法有：過渡液相結(jié)合、燒結(jié)金屬粉末、擴(kuò)散焊和真空釬焊。其中，真空釬焊的方法應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)檫@種方法操作簡單，成本相對較低，并對焊件的形狀沒有嚴(yán)格要求。真空釬焊是指在真空條件下，采用熔點(diǎn)比母材低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，再通過液態(tài)釬料潤濕母材并與兩側(cè)母材發(fā)生冶金反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)連接的一種方式。然而，由于SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面對活性釬料的潤濕性極差，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)合構(gòu)件的高質(zhì)量連接甚至于有效地連接。此外，采用真空釬焊方法連接SiO2陶瓷基復(fù)合材料-金屬構(gòu)件時(shí)，由于SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，因此，接頭在釬焊過程中會(huì)形成較大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能。因此，亟需開發(fā)一種簡單高效的方法來解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明主要通過在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面形成薄碳層的方法來改善其潤濕性，焊接后在SiO2陶瓷基復(fù)合材料側(cè)形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地解決由SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬件的熱膨脹系數(shù)不同帶來的較大的接頭殘余應(yīng)力的問題，提高接頭的連接質(zhì)量。本方法簡單、高效、成本低，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于尋找一種簡單高效的方法來實(shí)現(xiàn)SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的高質(zhì)量的釬焊接頭。
本發(fā)明提供的方法，具體按以下步驟進(jìn)行：
1)將葡萄糖水溶液附著在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料加熱，得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料；
2)將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，在氬氣氣氛下加熱后冷卻至室溫，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了碳顆粒；
3)將步驟2)處理后的材料按照SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的次序交替疊放(即相同材料之間不相鄰、不同材料之間相鄰)，然后將釬料置于SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料相鄰的待焊接面之間，得到待焊件，將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空，升溫加熱后冷卻至室溫。
優(yōu)選的，所述步驟1)具體為：將表面去除雜質(zhì)的SiO2陶瓷基復(fù)合材料浸泡在質(zhì)量濃度為5％～25％的葡萄糖水溶液中0.5min～10min，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中，加熱至50℃～120℃，保溫1min～10min后隨爐冷卻至室溫；重復(fù)上述過程2次～5次，即得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料。
優(yōu)選的，步驟1)所述加熱溫度為80℃，保溫時(shí)間為6min。
優(yōu)選的，所述步驟2)具體為：將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至3×10-4Pa后通入氬氣，其氣體流量為40sccm～90sccm，同時(shí)調(diào)整裝置內(nèi)的壓強(qiáng)為100Pa～500Pa，并以15℃/min的升溫速度將樣品加熱至200℃～800℃后，保溫30min～180min，樣品隨爐冷卻至室溫(緩慢把加熱電流調(diào)到0A)，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了碳顆粒。
優(yōu)選的，所述步驟3)具體為：將步驟2)處理后的材料按照SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料的次序依次疊放，然后將釬料置于SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料相鄰的待焊接面之間，得到待焊件，將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空至3×10-4Pa，以10℃/min的速度升溫至600℃～1300℃，保溫5min～20min，最后以5℃/min的速度冷卻至室溫。
優(yōu)選的，所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為SiO2f/SiO2復(fù)合材料、SiO2f/Al2O3復(fù)合材料或SiO2-BN復(fù)合材料。
優(yōu)選的，所述的金屬材料為鈦合金TC4、金屬Nb、GH99合金或Invar合金中的一種或二種以上。
優(yōu)選的，所述的釬料為AgCuTi、TiNi、TiNiNb、TiZrCu中的一種或二種以上。
優(yōu)選的，所述SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料需要先經(jīng)過以下處理：將SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料分別用砂紙打磨并用丙酮清洗10min～20min去除雜質(zhì)，得到表面潔凈的SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料以及金屬材料。
本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明使用的一種SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面活化輔助釬焊的方法，陶瓷表面形成薄碳顆粒層，可以很好的改善陶瓷表面的潤濕性，從而接頭強(qiáng)度顯著提高。
2、本發(fā)明使用的一種SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面活化輔助釬焊的方法，經(jīng)過等離子體處理，陶瓷表面形成的碳顆粒薄碳層向釬料中擴(kuò)散，進(jìn)而釬焊后陶瓷側(cè)可以形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地降低SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料間，由熱膨脹系數(shù)不同引起的殘余應(yīng)力，最終實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的高質(zhì)量連接。
3、本發(fā)明使用的一種SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面活化輔助釬焊的方法，簡單、高效、成本低、便于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明用于異種材料的釬焊，具體的，用于陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料之間的釬焊。
附圖說明
圖1為實(shí)施例一得到的SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬Nb的連接體焊縫組織的掃描電鏡圖片。
具體實(shí)施方式：
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式之間的任意組合。
具體實(shí)施方式一、本實(shí)施方式所述的一種SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面活化輔助釬焊的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：
一、將SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料分別用砂紙打磨并用丙酮清洗10min～20min去除雜質(zhì)，得到表面潔凈的SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料以及金屬材料；將表面去除雜質(zhì)的SiO2陶瓷基復(fù)合材料浸泡在質(zhì)量濃度為5％～25％的葡萄糖水溶液中0.5min～10min，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中，加熱至50℃～120℃，保溫1min～10min，此過程重復(fù)2次～5次，即得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料。
二、將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至3×10-4Pa后通入氬氣，其氣體流量為40sccm～90sccm，同時(shí)調(diào)整裝置內(nèi)的壓強(qiáng)為100Pa～500Pa，并以15℃/min的升溫速度將樣品加熱至200℃～800℃后，保溫30min～180min。最后，待樣品隨爐冷卻至室溫后，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了碳顆粒的薄碳層。
三、將處理后的SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料依次疊放，然后將釬料置于待焊接面之間，得到待焊件。將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空至3×10-4Pa，然后將真空釬焊爐升溫至600℃～1300℃，并保溫5min～20min，最后以5℃/min的速度冷卻至室溫，即完成SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊過程。
所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為SiO2f/SiO2復(fù)合材料、SiO2f/Al2O3復(fù)合材料或SiO2-BN復(fù)合材料。
所述的金屬材料為鈦合金TC4、金屬Nb、GH99合金或Invar合金中的一種或二種以上。
所述的釬料為AgCuTi、TiNi、TiNiNb、TiZrCu中的一種或二種以上。
具體實(shí)施方式二：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟一中所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為石英纖維編織陶瓷基復(fù)合材料。其它與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式三：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：步驟一中所述的釬料為箔片或粉末。其它與具體實(shí)施方式一或二相同。
具體實(shí)施方式四：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三不同的是：步驟一中所述的將表面滴有葡萄糖溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中的加熱溫度為90℃。其它與具體實(shí)施方式一至三相同。
具體實(shí)施方式五：本實(shí)施例與具體實(shí)施方式一至四不同的是：步驟一中所述的將表面滴有葡萄糖溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中的保溫時(shí)間為4min。其它與具體實(shí)施方式一至四相同。
具體實(shí)施方式六：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五不同的是：步驟二中所述的氣相沉積壓強(qiáng)為350Pa，處理溫度為750℃。其它與具體實(shí)施方式一至五相同。
具體實(shí)施方式七：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六不同的是：步驟二中所述的氣相沉積時(shí)間為2h。其它與具體實(shí)施方式一至六相同。
具體實(shí)施方式八：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七不同的是：步驟二中所述的氬氣流量80sccm。其它與具體實(shí)施方式一至七相同。
具體實(shí)施方式九：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八不同的是：步驟三中將真空釬焊爐溫度升溫至880℃。其它與具體實(shí)施方式一至八相同。
具體實(shí)施方式十：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九不同的是：步驟三中將真空釬焊爐保溫8min。其它與具體實(shí)施方式一至九相同。
具體實(shí)施方式十一：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至十不同的是：步驟一中所述的釬料為AgCuTi釬料箔片。其它與具體實(shí)施方式一至十相同。
具體實(shí)施方式十二：本具體實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至十一不同的是：步驟三中在溫度為1120℃。其它與具體實(shí)施方式一至十一相同。
實(shí)施例一：
本實(shí)施例所述的一種SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面活化輔助釬焊的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：
一、將SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料分別用砂紙打磨并用丙酮清洗15min去除雜質(zhì)，得到表面潔凈的SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料以及金屬材料；將表面去除雜質(zhì)的SiO2陶瓷基復(fù)合材料浸泡在質(zhì)量濃度為5％的葡萄糖水溶液中0.5min，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中，加熱至90℃，保溫2min，此過程重復(fù)5次，即得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料。
二、將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至3×10-4Pa后通入氬氣，其氣體流量為70sccm，同時(shí)調(diào)整裝置內(nèi)的壓強(qiáng)為200Pa，并以15℃/min的升溫速度將樣品加熱至600℃后，保溫60min。最后，待樣品隨爐冷卻至室溫后，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了薄層的碳顆粒。
三、將處理好的SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料依次疊放，然后將釬料置于待焊接面之間，得到待焊件。將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空至3×10-4Pa，然后將真空釬焊爐升溫至1100℃，并保溫20min，最后以5℃/min的速度冷卻至室溫，即完成SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊過程。
所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為SiO2f/SiO2；
所述的釬料為AgCuTi箔片；
所述的金屬材料為金屬Nb。
本實(shí)施例得到的SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬Nb的連接體在室溫下的抗剪強(qiáng)度為69MPa。
圖1為實(shí)施例一得到的SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬Nb的連接體焊縫組織的掃描電鏡圖片；由圖可知，在SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料側(cè)的焊縫中形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地降低接頭中的殘余應(yīng)力，從而提高接頭的強(qiáng)度。
實(shí)施例二
一、將SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料分別用砂紙打磨并用丙酮清洗10min去除雜質(zhì)，得到表面潔凈的SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料以及金屬材料；將表面去除雜質(zhì)的SiO2陶瓷基復(fù)合材料浸泡在質(zhì)量濃度為25％的葡萄糖水溶液中10min，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中，加熱至50℃，保溫1min，此過程重復(fù)2次，即得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料。
二、將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至3×10-4Pa后通入氬氣，其氣體流量為40sccm，同時(shí)調(diào)整裝置內(nèi)的壓強(qiáng)為100Pa，并以15℃/min的升溫速度將樣品加熱至200℃后，保溫30min。最后，待樣品隨爐冷卻至室溫后，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了碳顆粒的薄碳層。
三、將處理后的SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料依次疊放，然后將釬料置于待焊接面之間，得到待焊件。將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空至3×10-4Pa，然后將真空釬焊爐升溫至600℃，并保溫5min，最后以5℃/min的速度冷卻至室溫，即完成SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊過程。
所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為SiO2f/SiO2復(fù)合材料。
所述的金屬材料為鈦合金TC4。
所述的釬料為AgCuTi。
本實(shí)施例得到的SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料和鈦合金TC4的連接體在室溫下的抗剪強(qiáng)度為61MPa。
經(jīng)掃描電鏡表征可知，在SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料側(cè)的焊縫中形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地降低接頭中的殘余應(yīng)力，從而提高接頭的強(qiáng)度。
實(shí)施例三
一、將SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料和金屬材料分別用砂紙打磨并用丙酮清洗20min去除雜質(zhì)，得到表面潔凈的SiO2陶瓷基復(fù)合材料、釬料以及金屬材料；將表面去除雜質(zhì)的SiO2陶瓷基復(fù)合材料浸泡在質(zhì)量濃度為15％的葡萄糖水溶液中5min，隨后將表面附有葡萄糖水溶液的SiO2陶瓷基復(fù)合材料放入烘箱中，加熱至120℃，保溫10min，此過程重復(fù)5次，即得到表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料。
二、將表面附有均勻葡萄糖小分子顆粒的SiO2陶瓷基復(fù)合材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，抽真空至3×10-4Pa后通入氬氣，其氣體流量為90sccm，同時(shí)調(diào)整裝置內(nèi)的壓強(qiáng)為500Pa，并以15℃/min的升溫速度將樣品加熱至800℃后，保溫180min。最后，待樣品隨爐冷卻至室溫后，即在SiO2陶瓷基復(fù)合材料表面覆蓋了薄碳層。
三、將處理后的SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料依次疊放，然后將釬料置于待焊接面之間，得到待焊件。將待焊件置于真空釬焊爐中，抽真空至3×10-4Pa，然后將真空釬焊爐升溫至1300℃，并保溫20min，最后以5℃/min的速度冷卻至室溫，即完成SiO2陶瓷基復(fù)合材料與金屬的釬焊過程。
所述的SiO2陶瓷基復(fù)合材料為SiO2f/Al2O3復(fù)合材料。
所述的金屬材料為Invar合金。
所述的釬料為TiZrCu。
本實(shí)施例得到的SiO2f/Al2O3陶瓷基復(fù)合材料和Invar合金的連接體在室溫下的抗剪強(qiáng)度為110MPa。
經(jīng)掃描電鏡表征可知，在SiO2-BN陶瓷基復(fù)合材料側(cè)的焊縫中形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地降低接頭中的殘余應(yīng)力，從而提高接頭的強(qiáng)度。
實(shí)施例四
與實(shí)施例一的區(qū)別在于：步驟一所述加熱溫度為80℃，保溫時(shí)間為6min
本實(shí)施例得到的SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料和金屬Nb的連接體在室溫下的抗剪強(qiáng)度為75MPa。
經(jīng)掃描電鏡表征可知，在SiO2f/SiO2陶瓷基復(fù)合材料側(cè)的焊縫中形成彌散的碳化鈦顆粒，可以有效地降低接頭中的殘余應(yīng)力，從而提高接頭的強(qiáng)度。