一種納米箔帶連接碳化硅陶瓷基復合材料與金屬的工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用T1-Al納米箔帶擴散連接碳化硅陶瓷復合材料與金屬的工藝，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，通常需要與金屬材料組成復合結構來應用，并且組合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。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。
[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，但是連接溫度高達1400°C以上，無法適用于SiC陶瓷與金屬的連接。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。
[0006]目前針對SiC陶瓷基復合材料與金屬的連接，尚缺乏適用的高溫連接焊料和合適的耐高溫連接工藝。
【發明內容】
[0007]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與金屬連接的高活性擴散連接新方法。
[0008]本發明的技術解決方案是，一種納米箔帶連接碳化硅陶瓷基復合材料與金屬的工藝，該工藝包括以下步驟:首先，制備納米級厚度的Ti和Al金屬層交替疊加的箔帶;其次，以所述納米箔帶作為焊料，將其置于被焊接的SiC陶瓷基復合材料與被焊金屬之間，采用真空擴散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結方法，溫度為1000°C?1200°C，壓力為1MPa?30MPa，實現碳化硅陶瓷基復合材料與金屬的連接。
[0009]所述納米箔帶中每個金屬層的厚度為15nm?100]1111，總厚度為3(^1]1?10(^111。
[0010]所述的熱壓燒結為熱壓放電等離子燒結，反應時間為3?10分鐘。
[0011]所述的SiC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。
[0012]所述金屬包括Nb合金、Mo合金、T iAl金屬間化合物或T1-Al-Nb系合金。
[0013]所述Mo合金為TZM合金。
[0014]真空擴散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結反應時間為3?60分鐘。
[0015]對于碳化硅陶瓷基復合材料與TiAl金屬間化合物、T1-Al-Nb系合金的連接，在碳化硅陶瓷基復合材料與金屬之間插入Nb合金或者Mo合金作為中間過渡層，然后在這個中間過渡層的兩側都置入Ti/Al納米箔帶，進行連接。
[0016]該工藝還可以用于C/C復合材料與金屬之間的連接。
[0017]本發明可以為SiC陶瓷、SiC陶瓷基復合材料與金屬的連接提供耐高溫連接方法。相對于其他連接方法，本發明具有如下有益效果:
[0018]1.使用的焊料由納米級厚度的Ti/Al雙金屬層交替變化的箔帶組成，它具有極高的活性，比如在室溫下點燃總厚度30μπι?ΙΟΟμπι的Ti/Al納米箔帶，它在大氣條件下的燃燒速度達到lOm/s，因此高活性導致可以在1000°C?1200°C的溫度下實現SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基復合材料與金屬的牢固連接，接頭室溫彎曲強度可達到ISOMPa?300MPa，而且這種焊接溫度不會明顯影響被焊金屬自身的組織和性能；
[0019]2.由于納米級厚度Ti/Al雙金屬層交替變化的箔帶的極高活性，因此通過加熱條件下的活化擴散反應，在靠近被焊陶瓷的界面生成TiC，T1-S1-C，T1-Al-C等二元和三元高熔點化合物，在靠近被焊金屬的界面生成TiAl為主的反應產物，因此陶瓷-金屬連接接頭具有好的耐高溫性能，具體講，接頭室溫強度的80%以上可以穩定至1000°C的高溫。而采用傳統的活性釬料和釬焊工藝進行陶瓷-金屬連接，需要的連接溫度往往達到1100°C?1200°C甚至更高，但接頭強度不足，并且接頭的耐熱性很難超過800°C;
[0020]3.本發明中的技術方案，不僅適合上述4類SiC陶瓷基復合材料與金屬的連接，也適合于C/C復合材料與金屬的連接，此時在靠近被焊的C/C復合材料的界面生成TiC，T1-Al-C的二元和三元高恪點化合物。
【具體實施方式】
[0021]采用電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)等方法制備納米級厚度雙金屬層Ti/Al交替變化的箔帶，其中單層金屬的厚度控制為15nm?lOOnm，納米雙金屬箔帶的總厚度控制為30μπι?ΙΟΟμπι，并使用這種納米箔帶作為焊料，置于被焊的SiC陶瓷，或者SiC陶瓷基復合材料，或者C/C復合材料與被焊的金屬之間，采用真空擴散焊或者真空-氬氣條件下的熱壓燒結或者熱壓放電等離子燒結方法，通過1000°C?1200°C高溫下納米箔帶中Ti/Al雙元素之間的高活性以及它們與被焊的陶瓷復合材料、被焊的金屬材料之間的活化擴散反應實現連接。反應連接過程中施加壓力1MPa?30MPa。
[0022]對于陶瓷基復合材料與Nb合金或者Mo合金的連接，被焊的材料之間直接置入Ti/Al納米箔帶即可，而對于陶瓷基復合材料與TiAl金屬間化合物，或者T1-Al-Nb系合金的連接，則需要在被焊的陶瓷復合材料與被焊金屬之間插入Nb合金或者Mo合金作為中間過渡層，并且在這個中間過渡層的兩側都需要置入Ti/Al納米箔帶。
[0023]采用真空擴散焊或者真空-氬氣條件下的普通熱壓燒結方法，高溫反應