CN102643104A - 二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法 - Google Patents
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Abstract
二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，它涉及二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的连接方法，本发明要解决现有二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的活性钎焊接头强度低的问题。本发明通过如下步骤来实现：一、二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的预处理；二、泡沫镍中间层的预处理；三、扩散焊连接。本方法缓解了接头应力，提高了接头强度。使用本方法得到的扩散焊接头剪切强度为176.5MPa~208.1MPa，比采用钎焊法的连接接头剪切强度提高了76%~197%，本发明可用于扩散焊连接领域。
Description
技术领域
本发明涉及二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的连接方法。
背景技术
二硼化锆（ZrB2）基复合材料是一种新型超高温结构材料，其具有优异的高温化学稳定性、高电导率、高热传导率和较强的抗烧蚀能力，可广泛应用在航空航天、武器装备以及其他工业领域。但是由于二硼化锆碳化硅复合材料具有较高的硬度和脆性，制备大尺寸复杂构件存在较大困难。因此实现它与其他材料特别是耐高温合金的可靠连接是其在工程领域应用的关键。目前，二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的连接方法主要采用钎焊法，利用活性元素（如Ti、Zr、Pd等）与二硼化锆碳化硅复合材料陶瓷基体反应形成连接，由于钎料与二硼化锆碳化硅复合材料的热膨胀系数相差较大，容易造成钎焊接头应力集中，从而导致接头强度降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的活性钎焊接头强度低的问题，而提供二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法。
本发明中的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法是按以下步骤进行：
一、二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的预处理：将二硼化锆碳化硅复合材料以及欲与其连接的金属合金经打磨露出新表面后，在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，然后晾干；
二、泡沫镍中间层的预处理：将泡沫镍中间层在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，晾干后置于二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金之间组成待焊件；
三、扩散焊连接：将步骤二中得到的待焊件，置于真空扩散焊炉中，将真空扩散焊炉抽真空至5×10-4~5×10-2Pa，通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为20~40MPa的压力，然后将真空扩散焊炉以30℃/min的速度升温至扩散焊连接温度600~1000℃，并保温60~120min，然后以10℃/min的速度降温至300℃，最后待焊件随炉冷却，即完成二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散焊连接；
其中所述泡沫镍中间层为电池工业用泡沫镍，孔隙率为90%~98%，厚度为1~6mm，所述金属合金为镍基高温合金、钛合金或铌合金。
本发明能够提高接头连接强度的机理：泡沫镍具有三维网状结构，孔隙率较高，作为扩散焊中间层时，在压力的作用下发生变形，部分孔隙得以保留且均匀分布在焊缝中间形成多孔中间层，该多孔中间层兼具较高的强度和塑性变形能力，可以吸收由于母材热膨胀系数不同所产生的残余应力。此外，泡沫镍中间层与二硼化锆碳化硅复合材料在连接界面处形成非连续扩散层，相对于传统扩散焊使用金属箔中间层所产生的连续扩散层而言，该方法可以进一步调节应力分布，增强接头连接强度。
本发明有益效果：
1、泡沫镍具有三维网状结构，孔隙率较高，作为扩散焊中间层时，在压力的作用下发生变形，部分孔隙得以保留且均匀分布在焊缝中间形成多孔中间层，该多孔中间层兼具较高的强度和塑性变形能力，可以吸收由于母材热膨胀系数不同所产生的残余应力，增强接头连接强度。
2、泡沫镍中间层与二硼化锆碳化硅复合材料在连接界面处形成非连续扩散层，相对于传统扩散焊使用金属箔中间层所产生的连续扩散层而言，该方法可以进一步调节应力分布，增强接头连接强度。
3、用本发明方法获得二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散焊接头剪切强度为176.5MPa~208.1MPa，比采用钎焊法的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金连接接头剪切强度提高了76%~197%，比使用纯Ni箔作为中间层的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金扩散焊接头剪切强度提高了20%~27%。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法按以下步骤进行：
一、二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的预处理：将二硼化锆碳化硅复合材料以及欲与其连接的金属合金经打磨露出新表面后，在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，然后晾干；
二、泡沫镍中间层的预处理：将泡沫镍中间层在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，晾干后置于二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金之间组成待焊件；
三、扩散焊连接：将步骤二中得到的待焊件，置于真空扩散焊炉中，将真空扩散焊炉抽真空至5×10-4~5×10-2Pa，通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为20~40MPa的压力，然后将真空扩散焊炉以30℃/min的速度升温至扩散焊连接温度600~1000℃，并保温60~120min，然后以10℃/min的速度降温至300℃，最后待焊件随炉冷却，即完成二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散焊连接；
其中所述泡沫镍中间层为电池工业用泡沫镍，孔隙率为90%~98%，厚度为1~6mm，所述金属合金为镍基高温合金、钛合金或铌合金。
本发明能够提高接头连接强度的机理：泡沫镍具有三维网状结构，孔隙率较高，作为扩散焊中间层时，在压力的作用下发生变形，部分孔隙得以保留且均匀分布在焊缝中间形成多孔中间层，该多孔中间层兼具较高的强度和塑性变形能力，可以吸收由于母材热膨胀系数不同所产生的残余应力。此外，泡沫镍中间层与二硼化锆碳化硅复合材料在连接界面处形成非连续扩散层，相对于传统扩散焊使用金属箔中间层所产生的连续扩散层而言，该方法可以进一步调节应力分布，增强接头强度。
本发明有益效果：
1、泡沫镍具有三维网状结构，孔隙率较高，作为扩散焊中间层时，在压力的作用下发生变形，部分孔隙得以保留且均匀分布在焊缝中间形成多孔中间层，该多孔中间层兼具较高的强度和塑性变形能力，可以吸收由于母材热膨胀系数不同所产生的残余应力。
2、泡沫镍中间层与二硼化锆碳化硅复合材料在连接界面处形成非连续扩散层，相对于传统扩散焊使用金属箔中间层所产生的连续扩散层而言，该方法可以进一步调节应力分布，增强接头强度。
3、用本发明方法获得二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散焊接头剪切强度为176.5MPa~208.1MPa，比采用钎焊法的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金连接接头剪切强度提高了76%~197%，比使用纯Ni箔作为中间层的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金扩散焊接头剪切强度提高了20%~27%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中在超声功率为90~110W条件下，用丙酮清洗6~9min。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中在超声功率为90~110W条件下，用丙酮清洗6~9min。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中将真空扩散焊炉抽真空至6×10-4~5×10-3Pa。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中将真空扩散焊炉抽真空至7.5×10-4Pa。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为25~35MPa的压力。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为30MPa的压力。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述扩散焊连接温度为700~900℃。其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述保温时间为80~100min。其它步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述保温时间为90min。其它步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
为验证本发明的有益效果进行了以下实验：
实验一：本实验中的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法按以下步骤进行：
一、将二硼化锆碳化硅复合材料以及欲与其连接的钛合金（型号为TC4）经打磨露出新表面后，在超声功率为100W条件下，用丙酮清洗10min，然后晾干；
二、将泡沫镍中间层在超声功率为100W条件下，用丙酮清洗10min，晾干后置于二硼化锆碳化硅复合材料与待焊钛合金之间组成待焊件；
三、将步骤二中得到的待焊件，置于真空扩散焊炉中，将真空扩散焊炉抽真空至6×10-4Pa，通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和钛合金施加大小为35MPa的压力，然后将真空扩散焊炉以30℃/min的速度升温至连接温度900℃，并保温100min，然后以10℃/min的速度降温至300℃，最后待焊件随炉冷却，即完成二硼化锆碳化硅复合材料与钛合金的扩散焊连接。
经检测用本发明方法获得二硼化锆碳化硅复合材料与钛合金的扩散焊接头剪切强度为191.5MPa，而二硼化锆碳化硅复合材料与钛合金的活性钎焊接头剪切强度为90.5MPa，剪切强度提高了112%，显著地增强了接头连接强度。
Claims (10)
1.二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：
一、二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的预处理：将二硼化锆碳化硅复合材料以及欲与其连接的金属合金经打磨露出新表面后，在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，然后晾干；
二、泡沫镍中间层的预处理：将泡沫镍中间层在超声功率为80~120W条件下，用丙酮清洗5~10min，晾干后置于二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金之间组成待焊件；
三、扩散焊连接：将步骤二中得到的待焊件，置于真空扩散焊炉中，将真空扩散焊炉抽真空至5×10-4~5×10-2Pa，通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为20~40MPa的压力，然后将真空扩散焊炉以30℃/min的速度升温至扩散焊连接温度600~1000℃，并保温60~120min，然后以10℃/min的速度降温至300℃，最后待焊件随炉冷却，即完成二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散焊连接；
其中所述泡沫镍中间层为电池工业用泡沫镍，孔隙率为90%~98%，厚度为1~6mm，所述金属合金为镍基高温合金、钛合金或铌合金。
2.如权利要求1所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，其特征在于步骤一中在超声功率为90~110W条件下，用丙酮清洗6~9min。
3.如权利要求1所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，其特征在于步骤二中在超声功率为90~110W条件下，用丙酮清洗6~9min。
4.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，其特征在于步骤三中将真空扩散焊炉抽真空至6×10-4~5×10-3Pa。
5.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，其特征在于步骤三中将真空扩散焊炉抽真空至7.5×10-4Pa。
6.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，步骤三中通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为25~35MPa的压力。
7.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，步骤三中通过上下压头对二硼化锆碳化硅复合材料和金属合金施加大小为30MPa的压力。
8.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，步骤三中所述扩散焊连接温度为700~900℃。
9.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，步骤三中所述保温时间为80~100min。
10.如权利要求1至3中任一项所述的二硼化锆碳化硅复合材料与金属合金的扩散连接方法，步骤三中所述保温时间为90min。
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