CN112194499A - 一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料 - Google Patents

一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电场辅助下低温快速焊接异质陶瓷用的焊料，属于焊接领域。本发明提出的一种用于电场辅助下低温快速焊接异质陶瓷用的焊料，将稀土稳定氧化锆和氧化镁掺杂的氧化铝粉体均匀混合、压制成型、烧结后得到所述焊料；所述焊料中氧化锆和氧化铝的质量比为：2:8到8:2；所述烧结温度为1450‑1550℃。本发明提出的一种用于电场辅助下低温快速焊接异质陶瓷用的焊料，不仅实现了氧化锆和氧化铝异质陶瓷之间的高效焊接；并且可以通过调节焊料中掺杂物的浓度对焊接速率进行控制；同时，可以通过调节焊料的组成对焊接界面的强度进行调控。此外，由于使用了焊料以及焊接温度较低，并且焊接时间较短，焊接样品的热应力也因此被消除，有益于焊接强度的提高。

Description

一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料
技术领域
本发明涉及一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料，属于焊接领域。
背景技术
异质陶瓷之间的焊接对于扩大其应用范围、更大限度的满足实际需要具有重要意义。例如氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)陶瓷作为典型的氧化物陶瓷在工程技术领域一直受到重视，二者之间的焊接已被广泛应用于航空、运输以及能源等领域(“T.Nagano,H.Kato,Diffusion Bonding of Zirconia/Alumina Composites.Journal of the AmericanCeramic Society,73[11](1990)3476–3480”“M.Boniecki,D.Kaliński,Z.Librant,W.
Figure BDA0002736767110000011
Superplastic joining of alumina and zirconia ceramics.Journal ofthe European Ceramic Society.27(2007)1351–1355”)。ZrO2陶瓷因为具有优良的力学性能及耐腐蚀性，良好的化学稳定性和氧离子电导性，所以在工业、航空航天以及生物医疗领域被广泛应用。同时，Al2O3陶瓷由于其高强度、高硬度以及良好的化学稳定性和电绝缘性而作为结构陶瓷和电子陶瓷被广泛应用。虽然这两种典型的氧化物陶瓷都具有其各自的优点，但由于他们具有不同的力学性能以及电性能，因此有时候需要将二者结合起来使用。采用材料连接的方法来制备氧化锆和氧化铝的复合构件是解决这一问题的行之有效的方法。
传统上对这两种材料之间的焊接多是在一定的高温下进行的，这种方法焊接温度往往较高(≥1200℃)，且焊接时间较长(≥2小时)。使用活性金属作为焊料虽然可以降低焊接温度，然而焊接的构件使用温度较低，并且引入外来元素有可能会污染被焊接的材料。(“Wetting，spreading and joining in the alumina–zirconia–Inconel 738system[J].Scripta Materialia 50(2004)325–330”)。专利“一种氧化锆或氧化锆基复合材料的低温快速焊接方法”介绍了一种采用高于临界值的电场辅助的方法来进行氧化锆或氧化锆基复合材料之间的低温快速焊接。由于这两种材料之间的微观结构不同，采用电场辅助的方法无法对其进行直接焊接。
基于以上原因，本发明采用稀土掺杂的氧化锆和氧化镁掺杂的氧化铝作为焊料，在一定温度下给样品施加一定电场进行氧化锆和氧化铝陶瓷之间的低温快速焊接。由于焊料中同时包含氧化锆和氧化铝，因此氧化锆和氧化铝陶瓷可以分别和焊料中的相同成分之间进行扩散传质，进而实现二者之间的焊接。而当焊料中哪一相的含量越高时，该种陶瓷和焊料之间的界面结合强度则越高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电场辅助下低温快速焊接异质陶瓷用的焊料，该焊料由稀土掺杂的氧化锆和氧化镁掺杂的氧化铝组成，通过控制氧化锆和氧化铝中掺杂物的浓度来控制焊接速率，而焊接面的强度则通过调节焊料中氧化锆和氧化铝的比例来控制。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料，所述焊料由稀土稳定的氧化锆和氧化镁掺杂的氧化铝组成；将氧化锆和氧化铝陶瓷粉体均匀混合、压制成型、一定温度下烧结而成；所述氧化锆和氧化铝的质量比为：2:8到8:2；所述烧结温度为1450-1550℃；
所述稀土稳定的氧化锆包括：氧化钇、氧化铈、氧化钙或氧化钪等稳定的氧化锆。
采用上述焊料在电场下快速焊接氧化锆和氧化铝异质陶瓷，包括以下步骤：
步骤一、将氧化锆、氧化铝陶瓷以及焊料表面抛光至10μm以下，并将焊料置于氧化锆和氧化铝中间，三者的抛光表面紧贴在一起，得到试样；
步骤二、对步骤一得到的试样施加压强；所述压强≥1MPa，且小于材料的抗压强度；然后将试样加热到一定温度；所述温度为800-1300℃；最后对试样施加一定电场并保持一定的时间，完成样品的焊接。所述电场强度≥30V/cm，电流密度≥5mA/mm2；所述时间1-300s；
本发明的理论依据在于焊料中同时包含了氧化锆和氧化铝的成分，因此被焊接的材料可以分别和焊料中的相同成分之间进行传质，进而实现二者之间的焊接。当焊料中某一相的含量越高时，焊料和该种陶瓷之间的界面结合强度则越高。通过调节焊料中某一相的含量来控制该相和焊料之间的界面强度。该方法也可以应用于例如氧化钛和氧化钡等异质陶瓷之间的焊接。
有益效果
本发明提出的一种用于电场辅助下低温快速焊接异质陶瓷所用的焊料，不仅实现了氧化锆和氧化铝异质陶瓷之间的高效焊接；并且可以通过调节焊料中掺杂物的浓度对焊接速率进行控制；同时，可以通过调节焊料的组成对焊接界面的强度进行调控。此外，由于焊料的使用以及较低的焊接温度和较短的焊接时间，使得焊接样品的热应力也因此被消除，有益于焊接强度的提高。
附图说明
图1为本发明所涉及的氧化锆与氧化铝焊接的材料组合示意图,图中ZA为焊料；
图2为氧化锆与氧化铝陶瓷以质量比为50％ZrO2-50％Al2O3焊料(ZA)焊接的样品扫描电镜图片；其中，图a为样品的低倍扫描电镜图片；图b为ZrO2与焊料(ZA)之间界面的高倍扫描电镜图片；图c为Al2O3与焊料(ZA)之间界面的高倍扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
a)将质量分数为3％氧化钇稳定的氧化锆粉体和质量分数为1％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比50％:50％混合，然后将所得混合粉体压制成型，在1500℃下烧结得到所需焊料。
b)将步骤a)中得到的焊料、氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至10μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加2MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到1200℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度800V/cm，电流密度5mAmm–2，并保持30s，完成试样之间的焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比为50％:50％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，焊接效果好。
实施例2：
a)将质量分数为3％氧化钇稳定的氧化锆粉体和质量分数为1％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比20％:80％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1450℃下烧结得到焊料。
b)将步骤a)中得到的焊料、氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至5μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加2MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到1200℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度800V/cm，电流密度5mAmm-2，并保持30s，完成试样之间的焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比为20％:80％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，得到了焊料-氧化铝界面强度较高的焊接样品，焊接效果好。
实施例3：
a)将质量分数为2％氧化钙稳定的氧化锆粉体和质量分数为1％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比40％:60％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1550℃下烧结得到焊料。
b)将步骤a)所得焊料、稳定氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至1μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加1MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到1300℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度750V/cm，电流密度10mAmm-2，并保持10s，使试样之间进行焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比40％:60％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，焊接效果好。
实施例4：
a)将质量分数为5％氧化铈稳定氧化锆粉体和质量分数为1％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比35％:65％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1480℃下烧结得到所需焊料。
b)将步骤a)得到的焊料、氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至1μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加1MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到1300℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度2000V/cm，电流密度100mAmm-2，并保持5s时间，使试样之间进行焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比35％:65％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝陶瓷的高效焊接，焊接效果好。
实施例5：
a)将质量分数为3％氧化钪稳定氧化锆粉体和质量分数为3％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比25％:75％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1500℃下烧结得到焊料。
b)将步骤a)所得焊料、稳定氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至1μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加5MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到800℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度1500V/cm，电流密度20mAmm-2，并保持10min，使试样之间进行焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比为25％:75％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，焊接效果好。
实施例6：
a)将质量分数为3％氧化钇稳定的氧化锆粉体和质量分数为2％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比30％:70％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1500℃下烧结得到焊料。
b)将步骤a)中得到的焊料、稳定氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至1μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加2MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到1000℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度1000V/cm，电流密度15mAmm-2，方向从氧化铝到氧化锆，并保持1min，使试样之间进行焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比30％:70％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，焊接效果好。
实施例7：
a)将质量分数为4％氧化钇稳定的氧化锆粉体和质量分数为1％氧化镁掺杂的氧化铝粉体按质量比45％:55％混合均匀，然后将所得混合粉体压制成型，在1450℃下烧结得到所需焊料。
b)将步骤a)所得的焊料、稳定氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至1μm；
c)将步骤b)所得试样表面紧贴在一起，施加10MPa的压强；
d)将步骤c)所得试样加热到900℃；
e)给步骤d)所得样品施加电场强度1800V/cm，电流密度10mAmm-2，并保持10min，使试样之间进行焊接。
结论：通过使用氧化锆和氧化铝质量比为45％:55％的焊料，实现了氧化锆和氧化铝的高效焊接，焊接效果好。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于低温快速焊接异质陶瓷的焊料，其特征在于：所述焊料由稀土稳定的氧化锆和氧化镁掺杂的氧化铝组成；所述焊料中氧化锆和氧化铝的质量比为：2:8到8:2；将氧化锆和氧化铝粉体均匀混合、压制成型、烧结后得到所述焊料；所述烧结的温度为1450-1550℃。
2.采用如权利要求1所述方法制备的焊料，在电场下快速焊接氧化锆和氧化铝异质陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将焊料、氧化锆以及氧化铝陶瓷表面抛光至10μm以下，并将焊料置于氧化锆和氧化铝中间，三者的抛光表面紧贴在一起，得到试样；
步骤二、对步骤一得到的试样施加压强；所述压强≥1MPa，且小于材料的抗压强度；然后将试样加热到一定温度；所述温度为800-1300℃；最后对试样施加一定电场并保持一定的时间，完成样品的焊接；所述电场强度≥30V/cm，电流密度≥5mA/mm2；所述时间1-300s；
由于焊料中同时包含了氧化锆和氧化铝的成分，因此被焊接的材料可以分别和焊料中的相同成分之间进行传质，进而实现二者之间的焊接；当焊料中某一相的含量越高时，焊料和该种陶瓷之间的界面结合强度则越高。
3.如权利要求1所述方法制备的焊料，其特征在于：所述稀土稳定的氧化锆包括：氧化钇、氧化铈、氧化钙或氧化钪等稳定的氧化锆。
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