CN110270729B - 一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法 - Google Patents

一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti‑Al系合金和陶瓷的方法，涉及一种钎焊Ti‑Al系合金和陶瓷的方法。目的是解决采用含铜钎料对Ti‑Al系合金和陶瓷钎焊连接时，接头内会产生的脆性相导致接头抗剪强度低的问题。方法：采用液相转移的方法在Ti‑Al系合金的待焊面上制备石墨烯阻隔层，然后在Ti‑Al系合金的待焊面与陶瓷待焊面之间放置含铜钎料箔片，最后进行钎焊。本发明在钎焊过程中引入层状石墨烯作为阻隔层，有效减弱了Ti‑Al系合金和陶瓷钎之间产生反应和Ti‑Al系合金的溶解，以及避免了接头内脆性相的产生，保证了反应层的厚度，力学性能优异。本发明适用于钎焊Ti‑Al系合金和陶瓷。

Description

一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及一种钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法。
背景技术
含Cu钎料能够解决焊Ti-Al系合金和陶瓷钎焊时两侧母材热膨胀系数差异大导致的接头强度低的问题，但是钎焊过程中，溶解的Ti-Al系合金会与含Cu钎料会和陶瓷发生反应，在钎焊接头中产生过多脆性相，如Cu2Ti或TiSiCu，脆性相会导致钎焊接头抗剪强度降低。
发明内容
本发明目的是解决采用含铜钎料对Ti-Al系合金和陶瓷钎焊连接时，接头内产生的脆性相导致接头抗剪强度低的问题，提出一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法。
本发明以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法按照以下步骤进行：
首先采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层，然后在Ti-Al系合金的待焊面与陶瓷待焊面之间放置含铜钎料箔片，最后进行钎焊，即完成。
进一步的，所述在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯阻隔层之前还包括待焊面的打磨和清洗，打磨时采用不同型号的砂纸对Ti-Al系合金的待焊面进行打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为15～25min。
进一步的，进行钎焊前对陶瓷的待焊面依次进行打磨和清洗；打磨时采用不同型号的砂纸对对陶瓷的待焊面打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为15～25min。
进一步的，所述进行钎焊前采用石墨块压紧Ti-Al系合金、含铜钎料箔片和陶瓷。
进一步的，所述钎焊具体工艺为：在真空钎焊炉内进行，钎焊时真空度为5×10-3Pa以上，钎焊温度为800～880℃，保温时间为8～12min；钎焊完成后冷却至室温，冷却时降温速度为4～6℃/min。
进一步的，所述采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层的方法按以下步骤进行：
步骤1、首先在石墨烯/金属基底叠层样品中金属基体表面涂一层PMMA溶液并加热固化；
进一步的，步骤1所述石墨烯/金属基底叠层样品由金属基底及其表面附着的石墨烯层构成；石墨烯/金属基底叠层样品购买于重庆墨烯科技有限公司，商品名称为铜箔衬底的石墨烯薄膜。
进一步的，步骤1所述PMMA溶液的溶剂为丙酮，PMMA溶液的浓度是4wt.％。
进一步的，步骤1所述固化温度为150～200℃，固化时间为4～5min。
步骤2、然后用腐蚀液腐蚀金属基底，得到PMMA/石墨烯叠层样品；
进一步的，步骤2所述腐蚀液为浓度1～4mol/L的FeCl3溶液；用腐蚀液腐蚀金属基底时将石墨烯/金属基底叠层样品浸入腐蚀液中；腐蚀液浸能够去除金属基底；
步骤3、将PMMA/石墨烯叠层样品转移到Ti-Al系合金的待焊面上，其中PMMA/石墨烯叠层样品中石墨烯一侧朝向Ti-Al系合金的待焊面，进行热处理；
进一步的，步骤3所述热处理热温度为100～140℃，时间为1～2min。
步骤4、去除热处理后的PMMA/石墨烯叠层样品中的PMMA，得到具有一层石墨烯的Ti-Al系合金；
进一步的，步骤4所述去除热处理后的PMMA/石墨烯叠层样品中的PMMA时，将样品浸入丙酮中浸泡6～8h，浸泡完成后使用去离子水清洗。
步骤5、重复步骤1～步骤4，得到具有多层石墨烯的Ti-Al系合金。
本发明原理及有益效果是：
本发明在钎焊过程中引入石墨烯作为阻隔层，有效减弱了Ti-Al系合金和陶瓷钎料之间产生反应和Ti-Al系合金的溶解，以及避免了接头内脆性相的产生，保证了反应层的厚度，因此力学性能优异。本发明钎焊Ti-Al系合金和陶瓷后接头的抗剪强度达到110MPa以上。本发明方法用于Ti-Al系合金和陶瓷钎连接。
专利CN201811101772.9通过墨烯海绵与AgCuTi钎料发生原位反应生成在钎缝中均匀分布的TiC相，由于TiC相具有较低的线膨胀系数和较好的塑性变形能力，故能对钎缝的热膨胀系数进行调节，细化并增强钎缝基体组织，同时可以通过塑性变形缓解接头残余应力。区别点是：本发明数层的石墨烯是转移到硬质合金待焊面上的且与硬质合金待焊面平行，目的是抑制硬质合金向钎料中的过度溶解；而专利CN201811101772.9是海绵状的石墨烯，置于两层钎料之间而不是钎料与焊接对象之间，因此无法抑制硬质合金向钎料中的溶解。专利CN201811101772.9目的仅是与钎料复合并反应降低钎缝中Ti元素的含量、最终达到抑制钎缝中脆性化合物生成，该专利无法解决硬质合金等母材元素向钎缝中溶解的问题。
专利CN201510980623.4利用氧化石墨烯的还原法成功制备了石墨烯/铝基钎料，从而实现了石墨烯对铝基钎料的增强效果。专利CN201510980623.4的目的是通过添加石墨烯，增强铝基钎料的综合性能，本发明转移石墨烯的目的是抑制硬质合金向钎缝中的溶解，因此目的不同。专利CN201510980623.4无法解决硬质合金等母材元素向钎缝中溶解的问题。
专利CN201410828186.X在钎焊过程中引入三维结构石墨烯复合中间层，采用化学气相沉积CVD方法，在泡沫Cu或泡沫Ni上制备三维结构石墨烯复合中间层，改善了石墨烯在钎料中的分散性，降低了钎料热膨胀系数，缓解了接头内的应力，有利于提高钎焊接头性能。泡沫Cu或泡沫Ni为多孔材料，沉积石墨烯仍然是多孔的，因此专利CN201410828186.X无法解决硬质合金向钎缝中过度溶解的问题。
附图说明
图1为实施例1中Ti2AlNb合金和Ti3SiC2陶瓷钎焊接头的微观组织背散射图片；
图2为对比例1中未引入石墨烯阻隔层的Ti2AlNb合金和Ti3SiC2陶瓷钎焊接头微观组织背散射图片。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例1：本实施例中，陶瓷为Ti3SiC2陶瓷，Ti-Al系合金为Ti2AlNb合金，含铜钎料箔片为AgCu钎料箔片；本实施例方法按照以下步骤进行：
首先采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层，然后在Ti-Al系合金的待焊面与陶瓷待焊面之间放置一层厚度为50μm含铜钎料箔片，最后进行钎焊，即完成。
进一步的，所述在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯阻隔层之前还包括待焊面的打磨和清洗，打磨时依次采用240#和600#的砂纸对Ti-Al系合金的待焊面进行打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为20min。
进一步的，进行钎焊前对陶瓷的待焊面依次进行打磨和清洗；打磨时采用不同型号的砂纸对对陶瓷的待焊面打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为20min。
进一步的，所述进行钎焊前采用石墨块压紧Ti-Al系合金、含铜钎料箔片和陶瓷。
进一步的，所述钎焊具体工艺为：在真空钎焊炉内进行，钎焊时真空度为5×10-3Pa以上，钎焊温度为840℃，保温时间为10min；钎焊完成后冷却至室温，冷却时降温速度为5℃/min。
进一步的，所述采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层的方法按以下步骤进行：
步骤1、首先在石墨烯/金属基底叠层样品中金属基体表面涂一层PMMA溶液并加热固化；
进一步的，步骤1所述石墨烯/金属基底叠层样品由金属基底及其表面附着的石墨烯层构成；石墨烯/金属基底叠层样品购买于重庆墨烯科技有限公司，商品名称为铜箔衬底的石墨烯薄膜。
进一步的，步骤1所述PMMA溶液的溶剂为丙酮，PMMA溶液的浓度是4wt.％。
进一步的，步骤1所述固化温度为180℃，固化时间为5min。
步骤2、然后用腐蚀液腐蚀金属基底，得到PMMA/石墨烯叠层样品；
进一步的，步骤2所述腐蚀液为浓度1mol/L的FeCl3溶液；用腐蚀液腐蚀金属基底时将石墨烯/金属基底叠层样品浸入腐蚀液中；腐蚀液浸能够去除金属基底；
步骤3、将PMMA/石墨烯叠层样品转移到Ti-Al系合金的待焊面上，其中PMMA/石墨烯叠层样品中石墨烯一侧朝向Ti-Al系合金的待焊面，进行热处理；
进一步的，步骤3所述热处理热温度为120℃，时间为2min。
步骤4、去除热处理后的PMMA/石墨烯叠层样品中的PMMA，得到具有一层石墨烯的Ti-Al系合金；
进一步的，步骤4所述去除PMMA时，将样品浸入丙酮中浸泡7h，浸泡完成后使用去离子水清洗。
步骤5、重复步骤1～步骤4，得到具有3层石墨烯的Ti-Al系合金。
对比例1：
本对比例中，陶瓷为Ti3SiC2陶瓷，Ti-Al系合金为Ti2AlNb合金，含铜钎料箔片为AgCu钎料箔片；本对比例方法按照以下步骤进行：在Ti-Al系合金(Ti2AlNb合金)的待焊面与陶瓷待焊面之间放置一层厚度为50μm含铜钎料箔片，进行钎焊，即完成。
进一步的，进行钎焊前对陶瓷和Ti-Al系合金的待焊面进行依次进行打磨和清洗；打磨时采用240#和600#的砂纸对对陶瓷的待焊面打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗。所述超声清洗时间为20min。
进一步的，所述进行钎焊前采用石墨块压紧Ti-Al系合金、含铜钎料箔片和陶瓷。
进一步的，所述钎焊具体工艺为：在真空钎焊炉内进行，钎焊时真空度为5×10-3Pa以上，钎焊温度为840℃，保温时间为10min；钎焊完成后冷却至室温，冷却时降温速度为5℃/min。
图1为实施例一中Ti2AlNb合金和Ti3SiC2陶瓷钎焊接头的微观组织背散射图片；图2为对比例1中未引入石墨烯阻隔层的Ti2AlNb合金和Ti3SiC2陶瓷钎焊接头微观组织背散射图片。通过图1和图2对比可以发现，Ti2AlNb合金表面转移有石墨烯阻隔层时Ti2AlNb合金的溶解程度明显减小，而且在保证了反应充分进行的同时，脆性化合物反应层的厚度也明显减小，石墨烯阻隔层的加入有效抑制钎缝中脆性Cu2Ti和TiSiCu化合物的产生，同时加入石墨烯阻隔层后钎缝组织更加均匀，有效改善了接头性能。
利用电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，实施例1采用石墨烯阻隔层辅助钎焊方法所得的连接接头室温剪切强度达到110MPa。而相同参数下，未引入阻隔层直接钎焊所得的连接接头(对比例)室温剪切强度只有82MPa。

Claims (8)

1.一种以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
首先采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层，然后在Ti-Al系合金的待焊面与陶瓷待焊面之间放置含铜钎料箔片，最后进行钎焊，即完成；
所述采用液相转移的方法在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯层的方法按以下步骤进行：
步骤1、首先在石墨烯/金属基底叠层样品中金属基体表面涂一层PMMA溶液并加热固化；
步骤2、然后用腐蚀液腐蚀金属基底，得到PMMA/石墨烯叠层样品；
步骤3、将PMMA/石墨烯叠层样品转移到Ti-Al系合金的待焊面上，其中PMMA/石墨烯叠层样品中石墨烯一侧朝向Ti-Al系合金的待焊面，进行热处理；
步骤4、去除热处理后的PMMA/石墨烯叠层样品中的PMMA，得到具有一层石墨烯的Ti-Al系合金；
步骤5、重复步骤1～步骤4，得到具有多层石墨烯的Ti-Al系合金；
步骤1所述PMMA溶液的溶剂为丙酮，PMMA溶液的浓度是4wt.％；
步骤1所述固化温度为150～200℃，固化时间为4～5min；
步骤3所述热处理热温度为100～140℃，时间为1～2min。
2.根据权利要求1所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：所述在Ti-Al系合金的待焊面上制备石墨烯阻隔层之前还包括待焊面的打磨和清洗，打磨时采用不同型号的砂纸对Ti-Al系合金的待焊面进行打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为15～25min。
3.根据权利要求1或2所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：进行钎焊前对陶瓷的待焊面依次进行打磨和清洗；打磨时采用不同型号的砂纸对对陶瓷的待焊面打磨，打磨后进行清洗；清洗时采用的清洗液体为乙醇溶液，清洗方式为超声清洗；所述超声清洗时间为15～25min。
4.根据权利要求3所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：所述进行钎焊前采用石墨块压紧Ti-Al系合金、含铜钎料箔片和陶瓷。
5.根据权利要求1、2或4所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：所述钎焊具体工艺为：在真空钎焊炉内进行，钎焊时真空度为5×10-3Pa以上，钎焊温度为800～880℃，保温时间为8～12min；钎焊完成后冷却至室温，冷却时降温速度为4～6℃/min。
6.根据权利要求1所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：步骤1所述石墨烯/金属基底叠层样品由金属基底及其表面附着的石墨烯层构成。
7.根据权利要求6所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：步骤2所述腐蚀液为浓度1～4mol/L的FeCl3溶液；用腐蚀液腐蚀金属基底时将石墨烯/金属基底叠层样品浸入腐蚀液中。
8.根据权利要求6所述的以石墨烯阻隔层辅助钎焊Ti-Al系合金和陶瓷的方法，其特征在于：步骤4所述去除热处理后的PMMA/石墨烯叠层样品中的PMMA时，将样品浸入丙酮中浸泡6～8h，浸泡完成后使用去离子水清洗。
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