一種多尺度聯合提高高硬脆陶瓷基材料釬焊連接強度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提高陶瓷基材料釬焊連接強度的方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷基材料以其優異的高溫綜合性能在航空、航天等許多極端嚴苛環境都具有廣泛的應用前景，是當今熱端部件的首選材料。但由于本征的高硬脆特性，陶瓷基材料結構中難以發生顯著的位錯運動，所以難以獲得大尺寸和復雜形狀的結構件，大大限制了陶瓷材料的應用，因此，實現陶瓷材料自身或者與金屬材料的可靠連接已成為陶瓷材料應用的關鍵技術之一。一般采用活性釬焊方法實現陶瓷-陶瓷和陶瓷-金屬的連接，該方法工藝簡單、重復性好、對連接件尺寸和形狀適應性強。傳統活性釬焊方法通過在釬料中添加活性元素(如T1、Zr、Hf等)，利用其與陶瓷表面發生化學反應形成化學鍵而形成可靠連接。但是，由于陶瓷與金屬(金屬母材或者釬料)的熱膨脹性能存在巨大差異，接頭冷卻過程中的熱失配在連接界面產生殘余熱應力，降低連接強度和可靠性。
[0003]研究證明通過改變陶瓷母材連接面表面結構的方式可以有效減小界面附近的殘余熱應力集中，最終提高連接強度和可靠性。一般通過機械加工的方法對連接面進行表面結構改性，如利用金剛石切割機在C/C復合材料連接面加工矩形波(鋸齒形)界面和利用機械穿刺技術對C/C復合材料連接面進行表面穿孔，都在一定程度上緩解了界面殘余熱應力集中。但上述機械表面加工方法屬于接觸式加工，引入機械應力大，容易引起陶瓷表面應力集中并最終降低接頭強度和可靠性，而且機械表面加工的生產效率低、加工精度低，不易于大規模工程應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是要解決現有陶瓷基材料釬焊方法連接的接頭強度低、陶瓷基材料與金屬的熱膨脹系數差異所導致的殘余應力大、可靠性低的問題，而提供一種多尺度聯合提高高硬脆陶瓷基材料釬焊連接強度的方法。
[0005]—種多尺度聯合提高高硬脆陶瓷基材料釬焊連接強度的方法是按以下步驟完成的:
[0006]—、高硬脆陶瓷基母材連接面表面處理:
[0007]利用超短脈沖激光打孔技術在高硬脆陶瓷基母材的連接面加工出陣列的盲孔，得到連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材；對連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材和連接件進行打磨，得到光亮的連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材和光亮的連接件；使用丙酮對光亮的連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材和光亮的連接件分別用丙酮進行超聲波清洗2?4次，每次沖洗時間為1min?30min，得到處理后的連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材和處理后的連接件；
[0008]步驟一中所述的高硬脆陶瓷基母材連接面上的盲孔的橫截面為圓形或方形，盲孔深度為0.05mm?3mm，盲孔的直徑或邊長為0.0lmm?1.5mm,盲孔的間距為0.0lmm?2_，盲孔的深度方向與高硬脆陶瓷基母材連接面切線方向垂直；
[0009]二、制備釬料粉體:
[0010]將B源引入到含Ti活性共晶釬料中，得到復合釬料粉體；
[0011]步驟二中所述的復合釬料粉體中Ti與B的摩爾比為(I?10):1 ;
[0012]三、制備復合釬料膏體:
[0013]向步驟二中得到的復合釬料粉體中加入松油醇和乙基纖維素，攪拌均勻，得到復合釬料膏體；
[0014]步驟三中所述的復合釬料粉體與松油醇的質量比為10: (0.2?2);
[0015]步驟三中所述的復合釬料粉體與乙基纖維素的質量比為10: (0.4?3);
[0016]四、涂覆:將步驟三得到的復合釬料膏體分別均勻涂覆在處理后的連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材的連接面上和處理后的連接件的連接面上，將涂有復合釬料膏體的高硬脆陶瓷基母材和涂有復合釬料膏體的連接件相接觸并對齊，得到裝配好的待焊組件；或將步驟二得到的復合釬料粉體通過甩帶或擠壓成箔狀或片狀后置于處理后的連接面具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材的連接面和處理后的連接件的連接面之間，再將具有陣列盲孔的高硬脆陶瓷基母材的連接面和處理后的連接件的連接面對齊，裝配好的待焊組件；
[0017]步驟四中所述的涂覆厚度為20 μπι?300 μπι ;
[0018]五、真空釬焊連接:
[0019]將裝配好的待焊組件放置在真空釬焊爐中，再將真空釬焊爐抽真空至5X 10 4Pa?IX 10 3Pa,再將真空釬焊爐以15°C /min的升溫速率升溫至T1;再在溫度為T !下保溫5min?20min，再將真空釬焊爐以10°C /min的升溫速率從T1升溫至T 2，再在溫度為T2下保溫1min?20min，最后以5°C /min?10°C /min的冷卻速率冷卻至400°C，再以冷卻速率為5°C /min?10°C /min冷卻至室溫，得到高強度高硬脆陶瓷基材料釬焊接頭；SP完成提高高硬脆陶瓷基材料釬焊連接強度的方法；
[0020]步驟五中所述的T2是步驟三中得到的復合釬料膏體的液相線溫度的110%?130% ；
[0021]步驟五中所述的T1= T2_(100°C?200°C )。
[0022]本發明的原理及優點:
[0023]—、本發明在宏觀尺度利用超低熱量輸入、超高峰值功率的超短脈沖激光打孔技術對高硬脆高硬脆陶瓷基母材連接面進行表面結構的二次設計加工，在高硬脆陶瓷基母材的連接面加工出陣列的盲孔，可以有效減緩陶瓷與金屬連接界面近陶瓷一側的應力集中，而且該工藝適用材料范圍廣泛、加工效率和精度都很高、較機械表面加工造成的切口表面應力少且表面加工過程中不易引發裂紋產生；
[0024]二、微觀尺度在釬焊界面附近和釬料層中可以同時原位生成TiB晶須，同時具有以下效果:
[0025]A、對連接界面進行在微觀層次進行界面的二次加工，分布在界面附近的TiB晶須可以在微觀尺度增加了界面連接面積并有效減緩陶瓷/金屬連接界面近陶瓷一側的應力集中，還可以對殘余應力進行方向扭轉；
[0026]B、對釬料層材料進行改性，釬料層由原來的純金屬材質變為金屬基TiB晶須強化復合材料，有效減小了釬料層熱膨脹系數、降低了殘余應力；
[0027]C、原位生成的TiB晶須可以有效扭轉接頭殘余應力的方向，降低裂紋出現的幾率;
[0028]三、通過宏觀尺度和微觀尺度的聯合作用，最大程度上緩解了接頭應力，提高接頭的強度可靠性；
[0029]四、本發明獲得的具有高強度的高硬脆陶瓷基材料釬焊接頭的抗壓剪強度為105MPa?196MPa，比采用常規平直界面和無增強相的釬焊接頭強度提高了 115%?275%。
[0030]本發明可獲得一種多尺度聯合提高高硬脆陶瓷基材料釬焊連接強度的方法。
【附圖說明】
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[0031]圖1為實施例一中得到高硬脆陶瓷基材料的縱截數碼照片圖；圖1中I為高硬脆陶瓷基母材，1-1為盲孔；
[0032]圖2為實施例一所述的在高硬脆陶瓷基母材的連接面加工出陣列的盲孔后的結構示意圖；圖2中I為高硬脆陶瓷基母材，1-1為盲孔；
[0033]圖3為圖2沿A-A的剖面圖；圖3中I為高硬脆陶瓷基母材，1-1為盲孔；
[0034]圖4為實施例一中裝配示意圖；圖4中I為高硬脆陶瓷基母材，1-1為盲孔，2為連接件，3為復合釬料