CN106946584B - 陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法 - Google Patents

陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，在一定压强下(≥1MPa)，向样品施加高于临界值的电流密度，在500‑1200℃温度范围内实现了氧化锆或氧化锆基复合材料与金属之间的低温快速焊接，涉及到的陶瓷包括氧化锆、氧化铝、氧化铈、氧化铋及其复合材料、锆酸镧、钴酸镧等，涉及到的金属包括镍、钴、铁、钼、铌，铜、铝、银、铂等常见的金属及其合金。本发明焊接方法。采用施加电场的方法，在一定温度范围内实现材料之间的快速焊接，有效降低了焊接所需的温度，并且提高了焊接速度。

Description

陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法
技术领域
本发明属于复合材料与金属之间低温快速焊接方法，涉及一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，是一种在500-1200℃温度范围内，在临界电流密度(实现试样之间快速焊接所需的最小电流密度)辅助下实现材料之间快速焊接的方法。
背景技术
以ZrO2为代表的工程陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨性、抗腐蚀等许多优良的性能,在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有着重要应用。然而其加工性能差,延展性和冲击韧性低,耐热冲击能力弱,制造大而复杂的零件较为困难,这在很大程度上限制了陶瓷材料在工程中的应用。金属材料的塑性及韧性优于陶瓷材料，但金属在高温(＞1100℃)下的力学性能低。因此，采用连接技术制备陶瓷-金属复合构件，既可以利用陶瓷材料优异的高温性能，又可以发挥出金属材料的塑性和韧性，满足现代工程应用的需要。
目前关于氧化锆或氧化锆基复合材料与金属之间焊接的研究大多是在一定的高温(≥800℃)下进行的，且需要较长的时间(≥30min)。文献“Bonding of partially-stabilizedzirconia and nickel with nickel oxide layer[J].Journal of MaterialsScience 1986，21，4227-4232.”报道了一种在800℃～1200℃下通过热扩散方法实现氧化锆与金属镍之间的焊接,焊接时间5min～60min，该方法的实质是在氧化锆和镍之间通过反应生成了一层NiO实现二者的连接。有时为了降低焊接温度通过加入一定的中间层进行扩散焊或钎焊，文献“Development of composite silver/nickel nanopastes for lowtemperature joiningof yttria-stabilized zirconia to stainless steels[J].Ceramics International 2015，41，1815–1822”采用银-镍中间层作为钎料在270～360℃之间实现氧化锆和不锈钢之间的焊接，焊接时间60～150min。这些方法要么焊接温度高,要么需要的时间长。文献“Interfacial Phenomena During Field Zirconia to Metalst[J].Transactions of JWRI,1986,15,215–218.”在800℃下采用电场辅助的方法实现氧化锆和金属镍之间的焊接，但由于其所用的电流/电压小，没有达到临界值，所以其焊接行为与普通的没有电场辅助的焊接类似，仍然需要较长时间(≥20min)。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，该方法适用于氧化锆、氧化铝、氧化铈、氧化铋及其复合材料、锆酸镧、钴酸镧等离子键陶瓷和镍、钴、铁、钼、铌、铜、铝、银、铂等常见的金属及其合金，能够在500-1200℃温度范围内实现材料之间的快速焊接。
技术方案
一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将烧结致密的陶瓷或陶瓷基复合材料、以及金属相互焊接的表面抛光至10μm以下；
步骤2：将两者的焊接的表面紧贴在一起，施加≥1Mpa的压强；
步骤3：在500℃≤T≤1200℃温度范围内进行加热；
步骤4：在被焊接的样品上施加一个不小于临界电流密度值的电流，电流方向从陶瓷或陶瓷基到金属，并保持0.5s～30min，完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的焊接；
所述临界电流密度值为10mA/mm2。
所述加热方式采用辐射加热、激光加热或烧结炉加热。
有益效果
本发明提出的一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，在一定压强下(≥1MPa)，向样品施加高于临界值的电流密度，在500-1200℃温度范围内实现了氧化锆或氧化锆基复合材料与金属之间的低温快速焊接，涉及到的陶瓷包括氧化锆、氧化铝、氧化铈、氧化铋及其复合材料、锆酸镧、钴酸镧等，涉及到的金属包括镍、钴、铁、钼、铌，铜、铝、银、铂等常见的金属及其合金。本发明焊接方法。采用施加电场的方法，在一定温度范围内实现材料之间的快速焊接，有效降低了焊接所需的温度，并且提高了焊接速度。
附图说明
图1：本发明所涉及的陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间焊接示意图
图2：氧化锆陶瓷与镍基金属在800℃、电流密度为500mA/mm2条件下经过5min焊接所得样品的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
用于氧化锆或氧化锆基复合材料与金属之间可以通过扩散进行质量传递，进而形成材料之间的扩散连接。当氧化锆或氧化锆基复合材料中通过的电流密度大于某临界值时可以在材料中实现快速传质。因此，本发明通过在氧化锆或氧化锆基复合材料与金属中施加临界值以上的电流密度，实现材料之间的快速焊接。
实施例1：
a)将烧结致密的氧化锆陶瓷和镍基金属GH710试样表面抛光至3μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加5MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到700℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为350mA/mm2并保持1min，使试样之间进行扩散焊接。
实施例2：
a)将烧结致密的氧化锆陶瓷和镍基金属GH3044试样表面抛光至1μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加1MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到900℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为50mA/mm2并保持5s,使试样之间进行扩散焊接。
实施例3：
a)将烧结致密的氧化锆陶瓷和钴基金属GH5188试样表面抛光至1μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加5MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到500℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为450mA/mm2并保持5min,使试样之间进行扩散焊接。
实施例4：
a)将烧结致密的氧化锆增韧的氧化铝陶瓷和镍基金属GH710试样表面抛光至5μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加1MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到1000℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为10mA/mm2并保持0.5s,使试样之间进行扩散焊接。
实施例5：
a)将烧结致密的50％氧化锆-50％氧化铝(质量分数)复合材料和镍基金属GH3044试样表面抛光至10μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加3MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到800℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为30mA/mm2并保持5s,使试样之间进行扩散焊接。
实施例6：
a)将烧结致密的60％氧化锆-40％氧化铝(质量分数)复合材料和镍基金属GH710试样表面抛光至10μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加8MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到600℃；
d)给步骤c)所得样品施加电流密度为300mA/mm2并保持1min,使试样之间进行扩散焊接。
实施例7：
a)将烧结致密的80％氧化锆-20％氧化铝(质量分数)复合材料和钴基金属GH5188试样表面抛光至1μm；
b)将步骤a)所得试样表面紧贴在一起,施加5MPa的压强；
c)将步骤b)所得试样加热到800℃；
给步骤c)所得样品施加电流密度为50mA/mm2并保持30s,使试样之间进行扩散焊接。
临界电场定义为在电场作用下样品中的电流瞬间增大的最小电场值，此时的电压为临界电压，电流密度为临界电流密度，临界电流密度以陶瓷需要焊接的面为准，金属的焊接面不小于陶瓷的，且临界电流密度为10mA/mm2；一定压强是指压强需大于或等于1MPa，同时小于样品的抗压强度；一定时间指电流需要持续的最少时间为0.5s。

Claims (1)

1.一种陶瓷或陶瓷基复合材料与金属之间低温快速焊接的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将烧结致密的陶瓷或陶瓷基复合材料、以及金属相互焊接的表面抛光至10μm以下；
步骤2：将两者的焊接的表面紧贴在一起，施加≥1Mpa的压强；
步骤3：在500℃≤T≤1000℃温度范围内进行加热；
步骤4：在被焊接的样品上施加一个不小于临界电流密度值的电流，电流方向从陶瓷或陶瓷基复合材料至金属，并保持0.5s～30min，完成陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的焊接；
所述临界电流密度值为10mA/mm2；
所述加热方式采用辐射加热、激光加热或烧结炉加热；
所述陶瓷包括氧化锆、氧化铝、氧化铈或氧化铋；
所述金属包括镍、钴、铁、钼、铌，铜、铝、银或铂及其合金。
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