一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法技术

本发明专利技术涉及一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法，解决陶瓷‑金属钎焊过程中接头界面产生大量的脆性金属间化合物，造成接头性能差的难题。其中复合高熵合金钎钎料由上下两层组成，上层为靠近金属一侧的高熵合金箔带，下层为靠近陶瓷一侧的钛箔。将待焊基体及钎料箔带清洗后，装配成三明治结构，并在其上施加0.01‑0.03MPa的压力以保证基体与钎料层充分接触，装配完成后置于真空扩散炉中进行钎焊。本发明专利技术操作简单，利用高熵合金的高熵效应，在钎缝中形成FCC和BCC固溶体组织，接头中无脆性金属间生成，可有效抑制接头中脆性金属间化合物的生成，同时利用钛箔中活性Ti元素与陶瓷发生反应，在界面处形成韧性化合物，实现陶瓷与金属的有效冶金结合。

Method for brazing ceramic and metal with composite high entropy alloy filler metal

The invention relates to a method for complex high entropy alloy brazing of ceramics and metal, ceramic metal brazing process to solve the interface generated a lot of brittle intermetallic compounds, resulting in poor performance of the joint problem. The composite high entropy alloy brazing filler metal is composed of two layers, the upper layer is a high entropy alloy foil close to the metal side, and the lower layer is a titanium foil close to the ceramic side. The welding and brazing foil substrate after cleaning, assembly of sandwich structure, and 0.01 0.03MPa applied on the base pressure to ensure full contact with the solder layer, after the completion of the assembly in a vacuum diffusion brazing furnace. The invention has the advantages of simple operation, the use of high entropy effects of high entropy alloy, the brazing seam in the formation of FCC and BCC solid solution, no brittle intermetallic formation in the joints, can effectively inhibit the formation of intermetallic compounds in the joints, and the activity of the Ti element and the ceramic titanium foil in reaction, the formation of ductile compounds at the interface, realize the effective combination of ceramic and metal metallurgy.

【技术实现步骤摘要】
一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法
本专利技术属于异种材料连接
，具体涉及一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法
技术介绍
陶瓷具有耐磨、耐高温、耐腐蚀和高硬度等优良性能，因此在航天、能源等领域有着重要应用。但是陶瓷在常温下韧性较差，难以加工成形状复杂的结构部件，这就很大程度上限制了陶瓷材料的应用范围。而如果采用连接技术将陶瓷与金属制备成复合构件，这样既可以利用陶瓷材料优异的高温性能，又可以发挥金属材料的塑性和韧性，从而有效的扩大了陶瓷-金属复合材料应用领域，满足现代工程应用的需求。陶瓷与金属的连接目前已经有了大量的研究，通过陶瓷表面预金属化和在金属钎料中添加活性元素的方法一定程度上解决了金属钎料在陶瓷上难以润湿的问题，有些研究者提出采用三元系铝基钎料，例如AlSiCu或AlSiMg等晶态钎料进行高温钎焊，钎焊温度为1100℃，利用界面反应提高其在某些陶瓷，例如SiC上的润湿性。但是由于Si，Cu，Mg等元素的添加，与陶瓷基体反应后在陶瓷-金属接头中出现了大量的脆性金属间化合物，通过优化焊接工艺，较难有效控制脆性金属间化合物相的种类、数量、形态以及分布，这在很大程度上影响了钎焊接头的力学性能。
技术实现思路
针对上述现有技术工艺存在的不足，本专利技术的目的是提供一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷-金属的方法，利用高熵合金的高熵效应来抑制陶瓷-金属钎焊过程中脆性金属间化合物的产生。同时在高熵合金钎料与陶瓷之间放置一层活性钛箔，通过Ti元素与陶瓷发生反应，在界面处形成韧性化合物，从而实现陶瓷与金属的有效冶金结合。高熵合金自由能低，易于形成结构简单的BCC或者FCC固溶体，具有显微结构简化，不倾向于出现金属间化合物，具有纳米析出物与非晶质结构等特征，从而具有高强度、高硬度、耐回火软化、耐磨等优良性能，与含有一种主要元素原子百分比大于50％的传统钎料合金相比，其在钎焊领域具有广阔的应用前景。而高熵合金体系众多，大多数熔点较高(在1200℃以上)，对于陶瓷与金属的钎焊，AlNiCu三元高熵合金、AlNdNiCuFe、AlNdNiCuCo、MgAgCuPdY五元高熵合金，以及AlNiFeCrCoCu六元高熵合金具有高的延塑性以及高温强度，钎焊后形成BCC或者FCC固溶体，可以有效降低钎焊界面残余应力，提高接头强度。其中AlNiCu熔点为1069.80℃；Al15Nd60Ni10Cu10Fe5熔点为1037.13℃、Al11Nd61Ni8Cu15Co5熔点为1043.18℃、Mg65Ag5Cu15Pd5Y10熔点为812.64℃等；Al1.8-2.8NiFeCrCoCu熔点为1090.21-1268.22℃，满足陶瓷与金属高温钎焊的温度范围。本专利重点选择使用三元AlNiCu高熵合金进行阐述。本专利技术的复合高熵合金钎料，由两层组成，上层为高熵合金层，下层为活性钛层。本专利技术的一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法，是按以下步骤进行：一准备对陶瓷和金属的待焊接表面以及制备好的AlNiCu高熵合金箔带和钛箔预处理后，置于丙酮中利用超声波清洗，以除去基体和钎料表面的油污和杂质。并将钎料置于酒精中保存，避免污染。二装配从待焊陶瓷表面往上依次放置下层钎料、上层钎料以及待焊接金属，组成一个三明治结构(见附图1)，并在钎焊结构上施加0.01-0.03MPa的压力，固定三明治结构的同时保证复合钎料层与基体充分接触。三钎焊将步骤三中的装配件置于真空扩散炉中，真空度低于5.0×10-3Pa后，以10℃/min的升温速度升至900℃，保温10min，然后以同样的升温速度升至1100℃，保温10-30min后，切断电源，随炉冷却至室温后，取出试样，完成钎焊。上述方案中，所用钎料为箔带状AlNiCu高熵合金和钛箔，AlNiCu箔带的厚度为50-100μm，钛箔的厚度为50-100μm。宽度均为5mm。上述方案中，所使用的陶瓷可以为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。上述方案中，氧化物陶瓷可以为Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷等；氮化物陶瓷可以为Si3N4陶瓷、AlN陶瓷；碳化物陶瓷可以为SiC陶瓷、WC陶瓷等。上述方案中，金属可以是不锈钢，钛合金等。上述方案中，步骤一中的Cu、Ni、Al的质量分数分别为：43.0％，38.9％，18.1％上述方案中，步骤一中AlNiCu高熵合金所使用铜原料的纯度99.0％、镍原料的纯度99.5％、铝原料的纯度为99.2％。钛原料的纯度为99.6％。上述方案中，步骤二中基体预处理方法为：采用400目、600目、800目的耐水砂纸对基体待焊表面进行打磨，再使用0.5M的金刚石研磨液进行抛光处理，最后置于丙酮中利用超声波清洗20min，干燥待用。与现有技术相比本专利技术的有益效果为：使用高熵合金钎料体系，在体系高的混合熵变作用下，由几种物理化学相容性较好的元素组成的高熵合金仅生成一种或几种固溶体相，解决了钎料体系中活性元素与母材直接反应生成脆性金属间化合物的难题。本专利技术操作简单，钎焊之前不用对基材表面进行任何表面改性处理。周期短，效率高。同时可进行多个产品的钎焊，利于批量生产。附图说明图1为具体实施中的钎焊试样装配图，其中A为金属，B为高熵合金箔带，C为活性钛箔，D为陶瓷。图2为具体实施中的钎焊工艺曲线。具体实施方式实施例1一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法，选用的陶瓷母材为ZrO2陶瓷，试样尺寸为5×5×10mm、金属为Ti-6Al-4V，具体成分为：Al6.0％、V3.5％，其余为Ti。试样尺寸为10×10×30mm，高熵合金AlNiCu箔带厚度为100μm，钛箔的厚度为50μm。宽度均为5mm。将待焊陶瓷与钛合金基体分别用400目、600目、800目的耐水砂纸打磨后，再用0.5M的金刚石研磨液对基体进行抛光处理，置于丙酮中用超声波中清洗20min，干燥待用，将高熵合金箔带和钛箔置于丙酮中清洗20min，除去钎料表面的油污和杂质，干燥待用。将处理过的基体和复合高熵钎料箔带组装之后，在金属上施加0.01MPa的压力，以保证基体与复合钎料箔带紧密接触。将钎焊结构置于真空扩散炉中，当炉中真空度低于5.0×10-3Pa后，以10℃/min的升温速度升至900℃后预保温10min，再以同样升温速度升至1100℃后保温10min，之后随炉冷却至室温，完成ZrO2陶瓷和Ti-6Al-4V的连接。试验结果表明，试验实现了ZrO2陶瓷与Ti-6Al-4V合金的有效连接。界面组织为典型的FCC和BCC固溶体组织，接头室温剪切强度为91.7MPa。实施例2一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷与金属的方法，选用的陶瓷母材为Si3N4陶瓷试样尺为5×5×10mm、金属为304不锈钢。试样尺寸为10×10×30mm，高熵合金AlNiCu箔带厚度为100μm，钛箔厚度为50μm。宽度均为5mm。将待焊陶瓷与304不锈钢分别用400目、600目、800目的耐水砂纸打磨后，再用0.5M的金刚石研磨液对基体进行抛光处理，置于丙酮中用超声波中清洗20min，干燥待用。将高熵合金箔带和钛箔置于丙酮中清洗20min，除去钎料表面的油污和杂质，干燥待用。将处理过的基体和复合高熵钎料合金箔带组装之后，在金属上施加0.02MPa的压力，以保证基体与复合钎料箔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷和金属的方法，其特征在于钎焊结构为一个三明治结构，上层为金属，中间为复合钎料层，下层为陶瓷；复合钎料层由两层组成，上层为高熵合金箔带，下层为钛箔；上层高熵合金箔带的厚度为50‑100μm，下层钛箔带的厚度为50‑100μm；高熵合金包括AlNiCu三元高熵合金、Al15Nd60Ni10Cu10Fe5五元高熵合金、Al11Nd61Ni8Cu15Co5五元高熵合金、Mg65Ag5Cu15Pd5Y10五元高熵合金或/和Al1.8‑2.8NiFeCrCoCu六元高熵合金。

【技术特征摘要】
1.一种复合高熵合金钎料钎焊陶瓷和金属的方法，其特征在于钎焊结构为一个三明治结构，上层为金属，中间为复合钎料层，下层为陶瓷；复合钎料层由两层组成，上层为高熵合金箔带，下层为钛箔；上层高熵合金箔带的厚度为50-100μm，下层钛箔带的厚度为50-100μm；高熵合金包括AlNiCu三元高熵合金、Al15Nd60Ni10Cu10Fe5五元高熵合金、Al11Nd61Ni8Cu15Co5五元高熵合金、Mg65Ag5Cu15Pd5Y10五元高熵合金或/和Al1.8-2.8NiFeCrCoCu六元高熵合金。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：金属是不锈钢或钛合金。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红，黄海新，邢增程，李云月，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11