一種陶瓷與金屬釬焊復合構件及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及陶瓷與金屬釬焊領域，尤其涉及一種陶瓷與金屬釬焊復合構件及其制 備方法。
【背景技術】
[0002] 新型結構陶瓷材料具有強度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕等優點，廣泛應用于機械、 化工、電子等領域。但因陶瓷材料的本征脆性和強度分散等特點也使其很難直接用來制造 大尺寸和結構復雜的零件，限制了其應用。在許多場合下，陶瓷材料需要同塑性、韌性及抗 沖擊能力強的金屬結合在一起，以連接體的形式來使用，使陶瓷與金屬連接構成的復合構 件可以獲得金屬、陶瓷性能互補的優勢，滿足現代工程的需要。
[0003] 但是，陶瓷與金屬的化學成分和物理性能均有很大差別，特別是兩者的線膨脹系 數差異很大，如作為陶瓷的Al2〇3線膨脹系數為5.96 X ΙΟ^Γ1，Si3N4的線膨脹系數只有3.2 X 10-6K-1，而金屬A1和Fe的線膨脹系數高達23 · 6 X 10-6K-1和11 · 7 X 10-吃一1。
[0004] 現有技術中，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、金屬各自產生膨脹和收縮，由于其線膨脹系數 差異較大，造成冷卻后在接頭界面及附近產生較大的殘余應力。殘余應力對構件的承載能 力、疲勞強度、抗應力腐蝕能力、構件精度、尺寸穩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力的增加，接頭的力學性能（如拉伸、剪切強度）降低，疲勞性能下 降。因而，探索陶瓷與金屬之間殘余應力的緩解措施，對實現二者的高可靠性的連接尤為重 要。
[0005] 目前國內外緩解殘余應力的途徑主要集中在以下幾個方面:第一，選擇合適的連 接材料，例如盡量選用熱膨脹系數相近的連接材料等;第二，設計合理的連接結構，通過合 理的連接結構來降低、抵消和轉移殘余應力，針對每一種具體的構件需要具體分析和設計； 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力，但是緩解的程度有限；第 四，添加中間層，這是迄今應用最廣泛，也是最成功的方法。通過中間層來緩解陶瓷與金屬 連接接頭的殘余應力，并取得了一定效果。但是現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，由于殘余應力隨著接頭面積的增大而增大，而中間層緩解殘余應力的 能力有限，因而陶瓷與金屬的接頭面積較大時緩解效果不理想。
【發明內容】
[0006] 鑒于上述現有技術的不足，本發明提供一種陶瓷與金屬釬焊復合構件，并提供通 過釬焊法制備該構件的制備方法，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變能，緩解連接界面的殘余應力，從而顯著提高陶 瓷與金屬釬焊復合構件的強度和熱疲勞性能。
[0007] 本發明的一個實施方式在于提供一種陶瓷與金屬釬焊復合構件，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] 本發明的發明人經研究發現，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力，具有優異的壓縮應力-應變特性，同時能夠控制 陶瓷和金屬在釬焊時發生的界面反應，改變或抑制界面反應產物，因而能夠顯著提高陶瓷 與金屬釬焊復合構件的強度和熱疲勞性能。
[0009] 發明人認為，這與泡沫金屬獨特的結構特點有關。從微觀角度來說，泡沫金屬含有 多個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 泡沫金屬層兩側表面的多孔結構中，待釬焊完成后，熔融的釬料在各泡沫氣孔中分別獨立 地凝固收縮，難以形成在整個接頭面積上應力的疊加。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]在本發明的另一個優選的實施方式中，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]在本發明的另一個優選的實施方式中，所述泡沫金屬的孔隙率為20%_95%，優選 為60%-90%。若泡沫金屬的孔隙率低于20%，則不能充分發揮其吸能減震的作用；而若泡 沫金屬的孔隙率大于95%，則會影響復合構件的整體強度。
[0012]在本發明的另一個優選的實施方式中，所述泡沫金屬的孔徑為0.01mm-3mm，優選 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 連接界面的殘余應力;而若泡沫金屬的孔徑大于3_，則會影響復合構件的整體強度。
[0013]在本發明的另一個優選的實施方式中，所述泡沫金屬的厚度為0.01mm-6mm，優選 為0. lmm-lmm。若泡沫金屬的厚度小于0.01mm，則不能充分發揮其吸能減震的作用；而若泡 沫金屬的厚度大于6_，則會影響陶瓷與金屬釬焊復合構件的整體連接性和強度。
[0014]在本發明的另一個優選的實施方式中，所述上層釬料和下層釬料為活性釬料，優 選為A1基、Ti基、Cu基、Co基或Ag基釬料，更優選為Ag-Cu-Ti釬料。
[0015]在本發明的一個更優選的實施方式中，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] 本發明的另一個實施方式在于提供上述陶瓷與金屬釬焊復合構件的制備方法，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間后冷卻。
[0020] 根據本發明，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] 根據本發明，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 %，優選不大于± 8 %。
[0022] 在本發明的另一個優選的實施方式中，所述上釬料層、下釬料層和泡沫金屬層采 用丙酮進行超聲清洗處理，超聲清洗處理的時間為2-10min。
[0023]在本發明的另一個優選的實施方式中，所述待焊陶瓷和待焊金屬在裝配前，先對 其待焊面進行打磨和清洗，以去除其表面的氧化膜、油污等雜質。
[0024] 在本發明的另一個優選的實施方式中，所述一定壓力為0 · 00IMPa-O · 5MPa。
[0025] 在本發明的另一個優選的實施方式中，所述真空條件的真空度1.0 X 10_3-1.5 X 10-3Pa〇
[0026] 在本發明的另一個優選的實施方式中，所述加熱包括以5-80°C/min的加熱速度加 熱至800-1000°C，保溫時間為l_120min，優選為30-60min。
[0027] 在本發明的另一個優選的實施方式中，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] 根據本發明提供的陶瓷與金屬釬焊復合構件，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力，具有優異的壓縮應力-應變特性， 同時能夠控制陶瓷和金屬在釬焊時發生的界面反應，改變或抑制界面反應產物，因而能夠 顯著提高陶瓷與金屬釬焊復合構件的強度和熱疲勞性能。
[0029] 根據本發明提供的制備方法，可以直接利用現有的材料，不需進行復雜的預處理， 易于實現陶瓷與金屬的牢固結合。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明實施例1的陶瓷與金屬釬焊復合構件的裝配示意圖，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為本發明實施例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為本發明中制備完成的陶瓷與金屬釬焊復合構件的照片，其中，圖3(a)為對比 例1的陶瓷與金屬釬焊復合構件的微觀組織照片，圖3(b)為實施例1的陶瓷與金屬釬焊復合 構件的微觀組織照片，Γ -金屬端，5 陶瓷端，6-裂紋。
[0033] 圖4為本發明中制備完成的陶瓷與金屬釬焊復合構件發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合構件的斷面形貌圖，圖4(b)為實施例1的陶瓷 與金屬釬焊復合構件的斷面形貌圖。
[0034]圖5為剪切強度測試示意圖，圖5中，Γ -金屬端，5 陶瓷端，7-夾具，8-推頭。
【具體實施方式】
[0035] 下述實施例僅用于對本發明進行詳細說明，但應理解的是本發明的范圍并不限于 下述實施例。
[0036] 實施例1
[0037]本實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