一種碳化硅陶瓷基復合材料的硅碳元素原位反應連接工藝的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種碳化娃陶瓷基復合材料的娃碳元素原位反應連接工藝，屬于焊接制造技術領域。
【背景技術】
[0002]陶瓷、陶瓷基復合材料是很有應用前途的高溫結構陶瓷材料，近年來尤其以碳化硅陶瓷(SiC)，碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(Cf/SiC)，和碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(SiCf/SiC)，以及硅/碳化硅陶瓷基復合材料(Si/SiC)是高溫結構陶瓷材料中比較典型的代表。
[0003]但由于陶瓷及陶瓷基復合材料的加工性能較差、耐熱沖擊能力弱，以及制造尺寸大而且形狀復雜的零件較為困難等缺點，通常需要通過陶瓷及陶瓷基復合材料自身的連接來實現復雜構件的制造，并且連接接頭必須滿足耐高溫的使用要求。
[0004]應當說，陶瓷材料屬于難焊接材料，國內外在陶瓷或陶瓷基復合材料的連接中，普遍使用傳統的Ag-Cu-T1、Cu_Ti系活性釬料進行釬焊連接，但相應的接頭耐熱溫度很難超過500°C<Xu-Pd-V、Au-Cu-Pd-V等活性釬料也可用于碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的連接，但接頭的耐熱溫度也不超過800°C。陶瓷連接技術公開報道的還有使用Ni基釬料合金釬焊陶瓷基復合材料的研究結果，但自身接頭室溫彎曲強度只有58MPa左右，遠低于被焊母材。目前針對SiC陶瓷基復合材料尚缺乏適用的高溫連接焊料。
[0005]近年來也有采用在含有碳的坯體中熔滲入硅的反應方法進行碳化硅陶瓷的連接報道，但是焊料的前期處理過程以及連接工藝復雜，連接接頭中滲入硅未完全反應的殘留量不可控，因此連接接頭性能不穩定。而且，對于碳化硅陶瓷基復合材料，比如Cf/SiC陶瓷基復合材料，SiCf/SiC陶瓷基復合材料，或者Si/SiC陶瓷基復合材料，因為復合材料的組分更加復雜，它們的連接技術比起SiC陶瓷更為復雜，目前沒有簡易、實用并且質量可控的耐高溫連接的工藝方法。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是:針對上述技術需求和現有技術的不足，提供一種可用于碳化硅陶瓷基復合材料的簡易、實用并且質量可控的硅碳元素原位反應連接工藝。
[0007]本發明的技術方案中，碳化硅陶瓷基復合材料的硅碳元素原位反應連接工藝，包括以下步驟:
[0008]準備材料
[0009]選用粒徑為納米-微米的Si和C的混合粉末，根據Si和C的原子比例為(1.0?2.0):1.0稱取Si粉末和C粉末，按O?8.0wt.%取Al2O3粉末作為助燒劑;混合后作為焊料；
[0010]焊接
[0011]采用真空-氬氣條件下的熱壓燒結或者熱壓放電等離子燒結方法，溫度為1420°C?1550°C，施加壓力1MPa?20MPa，Si和C元素發生原位反應，并進行擴散連接碳化硅陶瓷基復合材料。
[0012]所述的碳化硅陶瓷基復合材料包括SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基復合材料、SiCf/SiC陶瓷基復合材料或者Si/SiC陶瓷基復合材料。
[0013]所述Si粉末和C粉末為平均粒徑為I?5μηι和1nm?10nm的混合粉末，并且納米級的粉末占質量分數的1 %?100 %。
[0014]所述Al2O3粉末的平均粒徑為0.5μπι?3μπι。
[0015]所述熱壓燒結為熱壓放電等離子燒結。
[0016]控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為IΟμπι?120μπι。
[0017]熱壓燒結的反應時間為0.3?1.0小時。
[0018]熱壓放電等離子燒結的反應時間為3?10分鐘。
[0019]本發明可以為碳化硅陶瓷、碳化硅陶瓷基復合材料提供質量穩定的耐高溫材料連接的工藝方法。相對于其他連接方法，本發明具有如下有益效果:
[0020]1.使用的焊料初始原料簡單，只有2?3種物質，即元素Si粉末、C粉末，或者Al2O3粉末，它們均為市售原材料，不需要專門合金化熔煉與制備，這2?3種粉末經機械混合均勻后即可作為焊料使用。
[0021]2.焊接工藝一步完成，配制混合好的焊料不需要調漿、烘干之類的預處理，也不需要焊后熱處理。
[0022]3.焊接過程中所需的氣氛環境也只是真空-氬氣條件，不需要高真空。
[0023]4.由于焊料的原料Si+C+Al203在焊前稱量配制，所以最終反應殘留在以SiC生成物為主的接頭中的Si量可以得到有效控制，即連接接頭的物相組成和高溫強度穩定可控，而不象采用在含有碳的坯體中熔滲入硅的反應連接方法那樣，連接接頭中未完全反應的硅殘留量不可控，造成接頭的性能不可控。
[0024]5.焊料原料中采用了粒徑納米-微米級別的Si粉和C粉，反應原料自身具有高的活性反應特性，而且添加的Al2O3粉末有助于生成物SiC陶瓷相的燒結致密化，使得連接接頭微觀組織致密，總體冶金質量良好。
[0025]6.本發明中的技術方案其通用性強，不僅可以適用于SiC陶瓷，Cf/SiC陶瓷基復合材料，和SiCf/SiC陶瓷基復合材料，以及Si/SiC陶瓷基復合材料這四大類材料的自身連接，還適用于這四類材料之間的兩兩互焊。并且，控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為10μm?120μηι條件下，上述自身連接接頭的彎曲強度達到被焊材料自身彎曲強度的80%?100%,獲得的異種材料連接接頭的彎曲強度達到被焊材料自身彎曲強度的70%?90%，而且所有接頭強度在100tC?1400°C的高溫下均表現穩定，接頭的耐高溫能力遠遠高于那些Ag-Cu-T1、Au-Cu-Pd-V、Ni基合金等活性釬料。
【具體實施方式】
[0026]選用元素Si和C粉末作為焊料的初始原料，Si粉和C粉均為平均粒徑I?5μπι和1nm?10nm的混合粉，并且兩種元素中平均粒徑納米級別的粉末分別占10%?100%，質量分數。計算和配制反應原料時，Si和C的原子比例為(1.0?2.0):1.0。再加入O?8.0wt.%的平均粒徑為0.5μπι?3μπι的Al2O3粉末為助燒劑。它們機械混合均勻后作為焊料裝配到被焊的SiC陶瓷或者SiC陶瓷基復合材料之間的界面，采用真空-氬氣條件下的普通熱壓燒結或者熱壓放電等離子燒結方法，通過在1420°C?1550°C高溫下Si和C元素原位反應，反應過程中施加壓力1MPa?20MPa，普通熱壓燒結反應時間0.3?1.0小時，或者熱壓放電等離子燒結方法反應時間3?10分鐘，進行擴散連接SiC陶瓷，或者Cf/SiC陶瓷基復合材料，或者SiCf/SiC陶瓷基復合材料，或者Si/SiC陶瓷基復合材料。連接后從高溫降至室溫的冷卻速度為2°(:?8°(:/1^11。獲得的擴散連接接頭主要含有31+31(:的物相。控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為ΙΟμπι?120μηι。
[0027]實施例一
[0028]原料Si和C均為平均粒徑40nm?60nm的粉末，計算和配制反應原料時，Si和C的原子比例為(I.2?I.5):1.0，再加入2.0wt.%?6.0wt.%的平均粒徑為0.5μπι?3μπι的Al2O3粉末為助燒劑。采用真空-氬氣條件下的熱壓燒結方法，加熱過程中的升溫速度為10°C?15°C/min，通過在1420°C?1500°C高溫下Si和C元素原位反應，反應過程中施加壓力1MPa?20MPa，反應時間0.5?1.0小時。控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為30μπι?80μπι。
[0029]實施例二
[0030]元素Si和C粉末作為焊料的初始原料，Si粉和C粉均為平均粒徑2μπι和60nm的混合粉，并且兩種元素中平均粒徑納米級別的粉末分別占10%?50%，質量分數。計算和配制反應原料時，Si和C的原子比例為(1.0?1.6): 1.0，再加入2.0wt.%?6.0wt.%的平均粒徑為
0.5μπι?3μπι的Al2O3粉末為助燒劑。采用真空-氬氣條件下的熱壓放電等離子燒結方法，加熱過程中的升溫速度為40°C?100°C/min，通過在1420°C?1500°C高溫下Si和C元素原位反應，反應過程中施加壓力I OMPa?20MPa，反應時間4?8分鐘。控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為40μηι?60μηι。
[0031 ] 實施例三
[0032]元素Si和C粉末作為焊料的初始原料，Si粉和C粉均為平均粒徑2μπι?3μπι和60nm?SOnm的混合粉，并且兩種元素中平均粒徑納米級別的粉末分別占60%，質量分數。計算和配制反應原料時，Si和C的原子比例為(1.5?2.0):1.0。采用真空-氬氣條件下的熱壓燒結方法，加熱過程中的升溫速度為8 °C?18 °C /min，通過在1420 °C?1480 °C高溫下Si和C元素原位反應，反應過程中施加壓力1MPa?20MPa，反應時間I小時。控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為30μηι?60μηι。
[0033]上述三種實施例，均進行了 SiC陶瓷，Cf/SiC陶瓷基復合材料，和SiCf/SiC陶瓷基復合材料，以及Si/SiC陶瓷基復合材料這四大類材料的自身連接，以及這四類材料之間的兩兩互焊，獲得的自身連接接頭的彎曲強度達到被焊材料自身強度的80%?100%，獲得的異種材料連接接頭的彎曲強度達到被焊材料自身強度的70 %?90 %，而且接頭強度在1000 °C?14 O O °C的高溫下均表現穩定。
[0034]另需說明的是，凡本發明中所描述的具體實施例，其配方、工藝所用名稱等可以不同。凡基于本發明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種碳化娃陶瓷基復合材料的娃碳元素原位反應連接工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟: 1.1準備材料 選用粒徑為納米-微米的Si和C的混合粉末，根據Si和C的原子比例為(1.0?2.0): 1.0稱取Si粉末和C粉末，按O?8.0wt.%取Al2O3粉末作為助燒劑;混合后作為焊料； 1.2焊接 采用真空-氬氣條件下的熱壓燒結方法，溫度為1420°C?1550°C，施加壓力1MPa?20MPa，Si和C元素發生原位反應，并進行擴散連接碳化硅陶瓷基復合材料。2.根據權利要求1所述的連接工藝，其特征在于:所述的碳化硅陶瓷基復合材料包括SiC陶瓷、Cf/SiC陶瓷基復合材料、SiCf/SiC陶瓷基復合材料或者Si/SiC陶瓷基復合材料。3.根據權利要求1所述的連接工藝，其特征在于:所述Si粉末和C粉末為平均粒徑為I?5μηι和I Onm?I OOnm的混合粉末，并且納米級的粉末占質量分數的10%?100%。4.根據權利要求1所述的連接工藝，其特征在于:所述Al2O3粉末的平均粒徑為0.5μπι?3μ??ο5.根據權利要求1所述的連接工藝，其特征在于:所述熱壓燒結為熱壓放電等離子燒結。6.根據權利要求1-5中任一項所述的連接工藝，其特征在于:控制焊料的添加量使得連接接頭的寬度為I Oym?120μπι。7.根據權利要求1- 5中任一項所述的連接工藝，其特征在于:熱壓燒結的反應時間為0.3?1.0小時。8.根據權利要求1-5中任一項所述的連接工藝，其特征在于:熱壓放電等離子燒結的反應時間為3?10分鐘。
【專利摘要】本發明涉及一種碳化硅陶瓷基復合材料的硅碳元素原位反應連接工藝，屬于焊接制造技術領域。由于陶瓷及陶瓷基復合材料的加工性能較差、耐熱沖擊能力弱，通常需要通過陶瓷及陶瓷基復合材料自身的連接來實現復雜構件的制造，并且連接接頭必須滿足耐高溫的使用要求。本發明的焊料原料中采用了按比例混合的粒徑納米-微米級別的Si粉和C粉或者Al2O3粉末，在真空-氬氣條件下進行普通熱壓燒結或者熱壓放電等離子燒結的方法，獲得的連接接頭彎曲強度達到被焊材料自身彎曲強度的80％～100％，而且在1000℃～1400℃的高溫下均表現穩定，該方法簡易、實用并且質量可控。
【IPC分類】C04B37/00
【公開號】CN105585325
【申請號】CN201510983419
【發明人】陳波, 熊華平, 李文文
【申請人】中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月24日