一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层及其连接工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层及其连接工艺，其中用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层的原料及配比构成如下：高纯钛碳化硅60‑80wt.％；高纯碳化硼20‑40wt.％；高纯硅，添加质量为高纯钛碳化硅和高纯碳化硼总质量的1‑35wt.％。本发明专利技术利用放电等离子烧结技术，在真空条件下制备了连接层厚度为50‑200μm的SiC接头，室温下最高的剪切强度达到了168.3MPa；连接层复合材料硬度可达28.7GPa，超过了SiC母材的硬度，具有较高的实用价值。由于连接层材料是由与碳化硅性能相近的复相陶瓷组成，因此连接件的抗氧化和耐腐蚀等性能也将得到提高。

A composite intermediate layer for diffusion bonding silicon carbide ceramics and its joining process

The invention discloses a composite intermediate layer for diffusion bonding of silicon carbide ceramics and a bonding process thereof, in which the raw materials and the composition of the composite intermediate layer for diffusion bonding of silicon carbide ceramics are as follows: high-purity silicon carbide 60 80wt.%; high-purity boron carbide 20 40wt.%; high-purity silicon carbide with high-purity titanium and silicon carbide with high quality added. The total mass of high purity boron carbide is 1 35wt.%. By using the spark plasma sintering technology, the SiC joint with a thickness of 50_200 micron is prepared in vacuum, and the highest shear strength reaches 168.3 MPa at room temperature; and the hardness of the composite material with a thickness of 28.7 GPa exceeds the hardness of the base material of SiC, thus having high practical value. Because the bonding layer material is composed of composite ceramics with similar properties to silicon carbide, the anti-oxidation and corrosion resistance of the joints will also be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层及其连接工艺
本专利技术涉及一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层及其连接工艺，属于陶瓷材料的连接领域。
技术介绍
随着科技的进步和现代工业的发展，对所需的结构材料也要求越来越严苛，在一些极端的高温、高腐蚀、高磨损、强辐照等环境下，传统的金属材料已不能满足使用需求。在这种情况下，一些先进的陶瓷材料，凭借其高温稳定性、抗腐蚀性、耐磨损性、抗辐照性等优异的性能脱颖而出，对陶瓷及其复合材料结构件的需求日益增多。由于技术及设备的制约，陶瓷材料很难做到直接制备大尺寸或形状复杂的结构件，因而发展可靠的陶瓷连接技术便成为陶瓷的应用中亟待解决的关键问题。碳化硅陶瓷作为结构陶瓷的一员，是目前应用最广泛的一类结构材料。目前碳化硅的连接手段主要有机械连接、钎焊、扩散连接、无压固相反应连接、先驱体连接、反应连接等。机械连接接头可以承受很高的温度和应力，但接头气密性差，连接处易产生应力集中。钎焊法可制备致密的钎焊接头，但接头的强度较低，耐热能力差，且某些情况下钎料与待焊母材之间润湿性不足。陶瓷先驱体连接方法可制备与碳化硅基体的热物理性能相匹配的接头，连接过程不需要施加很大的压力，但接头处残留有大量的气孔，降低了接头的强度和可靠性。近年来，放电等离子烧结技术(SPS)受到国内外广泛关注，它具有升温效率高、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等显著优点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米材料、非晶块体材料、梯度材料等。将放电等离子烧结技术(SPS)应用于连接碳化硅陶瓷及其复合材料，对碳化硅陶瓷的发展及推广应用具有深刻的意义。但由于连接层材料与碳化硅材料热膨胀系数不匹配，导致残余应力过大，使得接头中出现微裂纹，严重影响接头的连接强度和连接可靠性。因此，需要设计合适的连接层材料，克服连接缺陷，促进碳化硅陶瓷材料的发展和应用。
技术实现思路
为了使碳化硅陶瓷得到连接强度良好的接头，改善上述现有技术中的不足之处，本专利技术提供了一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层及其连接工艺。本专利技术用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层，其原料及配比构成如下：高纯钛碳化硅(Ti3SiC2)60-80wt.％；高纯碳化硼(B4C)20-40wt.％；高纯硅(Si)，添加质量为高纯钛碳化硅和高纯碳化硼总质量的1-35wt.％。所述高纯钛碳化硅的纯度>98％，粒度<25μm；所述高纯碳化硼的纯度>99％，粒度<20μm；所述高纯硅的纯度>98％，粒度<40μm。在常温下将上述原料按配比量混合均匀，所得混合粉末用于放电等离子烧结技术(SparkPlasmaSintering，SPS)扩散连接碳化硅陶瓷接头的常温剪切强度为2.7-168.3MPa，连接层复合材料硬度为0.5-28.7GPa。利用本专利技术复合中间层扩散连接碳化硅陶瓷的连接工艺，包括如下步骤：步骤1：复合中间层粉末的制备按配比量称取高纯钛碳化硅、高纯碳化硼以及高纯硅，混合后倒入玛瑙研磨钵中，以无水酒精为研磨介质，研磨1-3h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中干燥，获得复合中间层粉末；步骤2：焊前准备用内圆切割机将SiC陶瓷材料切割成SiC陶瓷块体，采用抛光液对SiC陶瓷块体的待焊接表面进行抛光，将抛光后的SiC陶瓷块体放入酒精溶液中超声清洗，室温下风干，得到待焊陶瓷母材；步骤3：装配将两块待焊陶瓷母材和复合中间层粉末按照石墨冲头-石墨垫片-待焊陶瓷母材-复合中间层粉末-待焊陶瓷母材-石墨垫片-石墨冲头的顺序装配到石墨模具中，再将装配完成的模具放入放电等离子烧结系统(SPS)中；步骤4：放电等离子烧结模具装好后，连接压力调至20-60MPa，炉内的真空度抽至20Pa以下，进行放电等离子烧结，获得扩散连接碳化硅陶瓷材料。步骤1中，干燥温度为60℃，干燥时间≥6h。步骤2中，所述抛光液为1-3.5μm的金刚石悬浮抛光液。进一步地，依次采用3.5μm和1μm的金刚石悬浮抛光液对SiC陶瓷块体的待焊接表面进行抛光。步骤4中，烧结温度为1200-1700℃，优选为1600-1700℃；保温时间为5-30min。步骤4中，烧结时，升温速率设置为50-100℃/min；降温速率设置为10-20℃/min，降温至600℃时程序停止，烧结完成，随后随炉冷却至温度≤50℃，即可取出材料。步骤4中，烧结后获得的扩散连接碳化硅陶瓷材料的连接层厚度为30-150μm。本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：本专利技术探索了合适的钛碳化硅、碳化硼和硅粉末的配比，对碳化硅陶瓷及其复合材料连接。通过混合粉末原位反应生成了由二硼化钛和碳化硅组成的复合中间层，其与碳化硅母材的物理和化学性能相似，且产物的晶粒极为细小(微米级)。本专利技术可以得到高强度、抗氧化、耐腐蚀的碳化硅陶瓷连接件，解决了碳化硅陶瓷的工程应用的一个技术难题。附图说明图1是模具装配及后续工艺测试流程图。图2是以80wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、20wt.％碳化硼(B4C)和1wt.％的硅(Si)为原料，采用30MPa的连接压力，在1400℃时保温20min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头中孔洞较多，连接强度较低，维氏硬度较低。图3是以72.7wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、18.2wt.％碳化硼(B4C)和9.1wt.％的硅(Si)为原料，采用50MPa的连接压力，在1400℃时保温10min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头中孔洞已基本消失，连接强度获得显著提升，维氏硬度也对应升高。图4是以56.1wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、23.8wt.％碳化硼(B4C)和20.1wt.％硅(Si)为原料，采用50MPa的连接压力，在1200℃时保温5min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头中孔洞较多，连接强度较低，维氏硬度较低。图5是以56.1wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、23.8wt.％碳化硼(B4C)和20.1wt.％硅(Si)为原料，采用50MPa的连接压力，在1400℃时保温10min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头中孔洞明显减少，中间层主要由二硼化钛和碳化硅组成。连接强度较好，维氏硬度较高。图6是以56.1wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、23.8wt.％碳化硼(B4C)和20.1wt.％硅(Si)为原料，采用50MPa的连接压力，在1600℃时保温10min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头致密性很高，中间层主要由二硼化钛和碳化硅组成，接头剪切强度最大可达168.3MPa，此时中间层维氏硬度也较高，可达26.6GPa。图7是是以56.1wt.％钛碳化硅(Ti3SiC2)、23.8wt.％碳化硼(B4C)和20.1wt.％硅(Si)为原料，采用50MPa的连接压力，在1700℃时保温30min获得的碳化硅/碳化硅接头的整体组织形貌图。此时接头致密性很高，中间层主要由二硼化钛和碳化硅组成。过高的烧结温度，使得中间层中晶粒粗大，接头剪切强度反而变低，最大可达118.9MPa，但是此时中间层维氏硬度最高，可达28.7GPa。具体实施方式下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层，其特征在于其原料及配比构成如下：高纯钛碳化硅60‑80wt.％；高纯碳化硼20‑40wt.％；高纯硅，添加质量为高纯钛碳化硅和高纯碳化硼总质量的1‑35wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种用于扩散连接碳化硅陶瓷的复合中间层，其特征在于其原料及配比构成如下：高纯钛碳化硅60-80wt.％；高纯碳化硼20-40wt.％；高纯硅，添加质量为高纯钛碳化硅和高纯碳化硼总质量的1-35wt.％。2.根据权利要求1所述的复合中间层，其特征在于：所述高纯钛碳化硅的纯度>98％，粒度<25μm；所述高纯碳化硼的纯度>99％，粒度<20μm；所述高纯硅的纯度>98％，粒度<40μm。3.利用权利要求1所述的复合中间层扩散连接碳化硅陶瓷的连接工艺，其特征在于包括如下步骤：步骤1：复合中间层粉末的制备按配比量称取高纯钛碳化硅、高纯碳化硼以及高纯硅，混合后倒入玛瑙研磨钵中，以无水酒精为研磨介质，研磨1-3h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中干燥，获得复合中间层粉末；步骤2：焊前准备用内圆切割机将SiC陶瓷材料切割成SiC陶瓷块体，采用抛光液对SiC陶瓷块体的待焊接表面进行抛光，将抛光后的SiC陶瓷块体放入酒精溶液中超声清洗，室温下风干，得到待焊陶瓷母材；步骤3：装配将两块待焊陶瓷母材和复合中间层粉末按照石墨冲头-石墨垫片-待焊陶瓷母材-复合中间层粉末-待焊陶瓷母材-石墨垫片-石墨冲头...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟志宏，王志泉，李华鑫，孙博文，宋奎晶，朱志雄，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34