專利名稱：半釬焊半擴散焊連接方法
技術領域：
本發明屬于焊接技術領域，涉及異種材料的連接，具體是一種用于連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質合金與金屬/金屬間化合物的半釬焊半擴散焊連接方法。
背景技術：
采用異種材料制作的焊接結構，不僅能滿足不同工作條件對材質提出不同要求，而且可節約大量的貴重材料，降低成本，發揮不同材料的性能優勢。異種材料焊接結構在機械、化工、電力、核工業和航天航空等行業得到廣泛應用，異種材料的焊接也越來越受到重視。從材料的組合和特點來看，異種材料的分類和焊接組合主要包括異種鋼的焊接、鋼與有色金屬的焊接、異種有色金屬的焊接、金屬與非金屬的焊接四種情況。結構陶瓷材料具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等獨特性能，但其脆性大、強度分散和加工困難等缺點，限制了它作為整體機構在工程中的應用。實現結構陶瓷與金屬的連接，對擴展陶瓷的應用領域具有重要意義。陶瓷與金屬的連接主要是活性釬焊和擴散焊，此外還有部分瞬間液相連接和二次PTLP等新方法。由于陶瓷和金屬的物理化學性能存在較大差異，特別是兩種材料間的熱膨脹系數差別較大，接頭在冷卻過程中由于收縮不均勻造成較大的殘余應力，使連接強度大大降低。嚴重者自行開裂，甚至成為結構損壞的直接或間接原因，由于金相組織的變化以及新生成的物相結構或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，接頭力學性能較差，特別是塑性和韌性明顯下降。活性釬料的研究與開發是發展陶瓷與金屬/金屬間化合物釬焊的一項重要內容。國內熊柏青、楚建新等研究表明添加中間層可有效控制殘余熱應力對Si3N4/金屬釬焊接頭性能的影響；翟陽、任家烈等使用非晶態合金作中間層擴散連接Si3N4與40Cr鋼，但連接強度不高；何鵬、馮吉才、錢乙余等研究了 Si3N4陶瓷與不銹鋼材料擴散連接接頭的殘余應力的分布特征及中間層的作用，但接頭強度較低。以上對Si3N4與金屬的連接能有效減低接頭殘余應力，但均存在接頭強度低而無法滿足工程實際應用的要求。硬質合金是以高硬度的，難熔金屬的碳化物(如TiC，WC，TaC，NbC等)為基，加入粘結金屬(如Co, Fe, Ni, Mo等),通過粉末冶金方法制成的合金材料。硬質合金與金屬的物理性能差別較大，對連接性能影響最大的是二者線膨脹數的差異，如硬質合金的線膨脹系數為(4.5 7)父10-6/1，而45#鋼線膨脹系數為11.65X10_7°C，可見二者的線膨脹系數相差較大，因此在連接接頭易引起內應力。一般僅為金屬材料的一半左右，當硬質合金與這類材料焊接時，會在接頭中產生很大的熱應力，若超過硬質合金的抗拉強度，便會導致硬質合金開裂，二是由于硬質合金材料的特殊性，釬料對基體材料的潤濕性不佳
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質合金與金屬/金屬間化合物，并可緩解接頭殘余應力，提高接頭強度的半釬焊半擴散焊連接方法。本發明的半釬焊半擴散焊連接方法是在陶瓷或硬質合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設置工業級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。所述的工業級釬料熔化溫度低于所述的純金屬中間層；所述的工業級釬料和所述的純金屬中間層都能潤濕與之連接的母材；連接溫度低于所述的純金屬中間層熔點高于所述的工業級釬料熔化溫度。本發明的優點是
(1)工業級釬料對陶瓷/硬質合金表面的潤濕性能好，可以用來釬焊所述的純金屬中間層與陶瓷/硬質合金；而純金屬中間層在同樣的連接溫度下可以與金屬/金屬間化合物實現擴散連接，通過半釬焊和半擴散焊連接獲得穩定可靠的接頭。綜合了兩種方法的優點。(2)由于本發明中所述的純金屬中間層材料沒有完全熔化，起到了梯度作用，緩解了接頭中存在的內應力，接頭不會出現開裂現象，連接強度高；
(4)本發明工藝簡單、實施方便、獲得的陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質合金與金屬/金屬間化合物接頭性能穩定可重復再現。
圖I為本發明的半釬焊半擴散連接方法應用材料的構造示意圖。圖中1.陶瓷或硬質合金；2.釬料；3.純金屬中間層；4.金屬或金屬間化合物。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明的方法作進一步說明。實施例一
半釬焊半擴散連接Si3N4陶瓷與Ti-Al金屬間化合物。工業級釬料選用非晶Ti40Zr25B0. 2Cu釬料，熔化溫度為1230K，厚度為45 y m的工業級產品；純金屬中間層選用Ni箔的純度為99. 8%以上，厚度為250mm的工業級產品。連接步驟如下
1.準備階段先將待連接的Si3N4陶瓷和Ti-Al金屬間化合物試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將非晶Ti40Zr25B0. 2Cu釬料、Ni箔用5號金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進行超聲波清洗10分鐘；
2.裝配步驟將經磨光的非晶Ti40Zr25B0.2Cu釬料、Ni箔、經磨平的Si3N4陶瓷和Ti-Al金屬間化合物按Si3N4陶瓷、非晶Ti40Zr25Cu20Nil5釬料、Ni、Ti-Al金屬間化合物的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時在待連接件上放置一小砝碼以產生0. OSMPa的壓力；
3.連接階段將裝配好的專用夾具置于真空爐中進行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至1123K，保溫30min ;再以10K/min的速率升溫至1373K，保溫30min ;然后以5K/min的速率冷至573K ;真空度小于10-3Pa ；自然冷卻至室溫時開爐門取樣。本實施例采用一種半釬焊半擴散連接Si3N4陶瓷與Ti-Al金屬間化合物連接方法獲得的Si3N4與Ti-Al金屬間化合物的接頭未出現由于殘余應力導致的開裂現象，接頭室溫四點彎曲強度為245MPa。其高溫性能大大提高，測試溫度從293K升至1073K時，接頭高溫三點彎曲強度均高于140MPa。
實施例二
半釬焊半擴散連接硬質合金YG8與TA15。工業級釬料選用Ag-Cu-Ti釬料，熔化溫度為1053K，厚度為100 u m的工業級產品，Ag-Cu-Ti釬料箔按質量百分比含量由組分Ag為70. 0%，Cu為26. 0 %，Ti為4. 0 %組成；純金屬中間層選用Cu箔的純度為99. 8%以上，厚度為150mm的工業級產品。連接步驟如下
1.準備階段先將待連接的硬質合金YG8與TA15試樣端面用金剛石研磨膏磨平，再將Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔用5號金相砂紙磨光，然后一起置于丙酮中進行超聲波清洗10分鐘；
2.裝配步驟將經磨光的Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔、經磨平的硬質合金YG8與TA15按硬質合金YG8、Ag-Cu-Ti釬料、Cu箔、TA15的順序緊貼安裝在專用夾具中；同時在待連接件上放置一小砝碼以產生0. IMPa的壓力；
3.連接階段將裝配好的專用 夾具置于真空爐中進行釬焊，真空爐先以15K/min的速率升溫至873K，保溫30min ;再以10K/min的速率升溫至1133K，保溫30min ;然后以5K/min的速率冷至573K ;真空度小于10-3Pa ；自然冷卻至室溫時開爐門取樣。本實施例采用一種一種半釬焊半擴散連接硬質合金YG8與TA15連接方法獲得的硬質合金YG8與TA15的接頭未出現由于殘余應力導致的開裂現象，接頭室溫四點彎曲強度為 146MPa。
權利要求
1.一種半釬焊半擴散焊連接方法，其特征是在陶瓷或硬質合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設置工業級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。
2.根據權利要求I所述的半釬焊半擴散焊連接方法，其特征是所述工業級釬料熔化溫度低于所述的純金屬中間層；所述的工業級釬料和所述的純金屬中間層都能潤濕與之連接的母材；連接溫度低于所述的純金屬中間層熔點高于所述的工業級釬料熔化溫度。
全文摘要
本發明屬于焊接技術領域，涉及異種材料的連接，具體是一種用于連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質合金與金屬/金屬間化合物的半釬焊半擴散焊連接方法。本發明的半釬焊半擴散焊連接方法是在陶瓷或硬質合金母材與金屬或金屬氧化物母材之間依次設置工業級釬料和純金屬中間層，在真空中進行焊接連接。本發明能夠連接陶瓷與金屬/金屬間化合物、硬質合金與金屬/金屬間化合物，并可緩解接頭殘余應力，提高接頭強度。
文檔編號B23K28/02GK102615442SQ201210116848
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者嚴鏗, 馮俊, 劉歡, 許祥平, 鄒家生, 高飛 申請人:江蘇科技大學