一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法技术

本发明专利技术公开了一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，包含以下步骤：(1)采用Ni‑Ti合金靶材，利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni‑Ti合金层；所述Ni‑Ti合金层包括Ni‑Ti沉积层及互扩散层；(2)利用离子注入方法在Al2O3陶瓷表面注入Ti离子；(3)将步骤(1)得到的经双辉等离子表面冶金方法处理得到的镍基合金及步骤(2)得到的经表面处理的Al2O3陶瓷，在真空扩散焊设备中实现焊接。本发明专利技术可实现Al2O3陶瓷与镍基合金的真空扩散焊接，大幅度提高真空扩散焊在Al2O3陶瓷/镍基合金焊接工艺中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法
本专利技术涉及一种陶瓷材料焊接技术，特别涉及一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法。
技术介绍
镍基合金具有良好的机械强度和延展性，耐高温，具有很高的化学稳定性，且不易氧化，被广泛用于化学、石油、航天、航海和原子能等领域。Al2O3陶瓷是现生产量最大、应用最广的陶瓷材料，具有高硬度，优良的耐磨损、耐腐蚀、耐高温性能等优良性能，被广泛应用于航空、航天、石油化工等领域，如燃气轮机的叶片、轴承等部件。然而，Al2O3陶瓷加工性能差,延展性和冲击韧性低，脆性大，限制了Al2O3陶瓷在各行业的应用。为了在不同条件下充分发挥发挥镍基合金和Al2O3陶瓷各自的优异性能，通常将Al2O3陶瓷与镍基合金连接起来，实现Al2O3陶瓷与镍基合金性能上的互补，扩大其应用范围。但是，由于镍基合金与Al2O3陶瓷之间弹性模量和热膨胀系数的不同导致的界面应力突变和残余应力问题。焊接后陶瓷-镍基合金界面能否形成强化学结合、物理结合或冶金结合，保证接头的可靠性。如何保证Al2O3陶瓷与镍基合金的焊接强度成为限制二者焊接的关键问题。为了适应异种材料焊接，近年来作为固相焊接方法之一的扩散焊接技术引起了人们的重视，成为焊接领域的研究热点，正在飞速发展。真空扩散焊是在一定的真空条件下，使平整光滑的焊接表面在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，原子互相扩散，经一定时间保温，使焊接区的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。真空扩散焊作为一种先进的焊接方法，适用于各种陶瓷与各种金属的连接。其显著特点是接头质量稳定，连接强度高。对于Al2O3陶瓷与镍基合金的真空扩散焊接仍存在一些需要解决的问题。Al2O3陶瓷晶体的强大键能使元素扩散特别困难。Al2O3陶瓷与镍基合金的热膨胀系数相差较大，导致接头产生很大热应力，易在陶瓷侧产生裂纹。焊接后陶瓷-金属界面能否形成强化学结合、物理结合或冶金结合，保证接头的可靠性。上述问题制约着真空扩散焊在陶瓷与金属焊接中的应用。在陶瓷与金属的扩散焊接中，为缓解因陶瓷与金属的热膨胀系数不同而引起的残余应力以及控制界面反应，抑制或改变界面反应产物以提高接头性能，常在陶瓷与金属之间采用中间层。2007年2月出版的《钢铁研究学报》，第19卷第2期中“金属与陶瓷连接用中间层材料”一文中概述了金属与陶瓷钎焊、扩散焊与部分瞬时液相连接采用的中间层的研究现状。然而，Al2O3陶瓷与镍基合金扩散焊接过程中中间层的选择以及中间层能否使Al2O3陶瓷与镍基合金实现良好的焊接，给实际生产带来很大困难。“双辉等离子表面冶金方法”可以在较低温度下(与传统扩散涂层工艺比较)，快速制备与基体冶金结合的功能性涂层。图1为双辉等离子表面冶金装置的原理图：包括阳极(1)、源极(2)、腔室(3)、靶材(4)、基体(5)及阴极(6)；双辉等离子表面冶金的原理为：在一密封容器内,设置阳极(金属外罩)、源极(靶材)、阴极(被处理工件)。在阳极、阴极间及阳极、源极间分别外接一个直流可调压电源。当炉内抽真空达一定值后,通入氩气，先接通阴极(工件)电源，加一定电压，清洁工件表面，再通上源极电源，则在阳极与阴极间、阳极与源极间分别出现辉光放电现象,称为双层辉光放电。利用源极辉光溅射,将其中原子或离子轰击出来,，并高速飞向阴极(工件)表面。同时利用阳极与阴极间的辉光放电，使工件加热、吸收扩散活性金属原子(离子)，从而使工件表面形成一个含有靶材元素成分的合金层。离子注入方法是近年来发展迅速的重要表面改性技术，该方法将靶材的原子电离，在几十至几百千伏的高压加速场下加速，获得较高的动能，直接注入到基体材料表面。在高能离子束的作用下，被轰击的表面或界面区在较低的温度条件下发生一系列的物理、化学、显微结构以及应力状态的变化。离子注入方法通过非平衡态材料辐照损伤和化学效应等途径以一种可控的方式改变陶瓷组成和微观结构，提高陶瓷材料的韧性、膜基粘结能力及其他特殊表面性能。
技术实现思路
专利技术目的：针对Al2O3陶瓷与镍基合金焊接困难的问题，本专利技术以双辉等离子表面冶金方法和离子注入方法为手段，提供了一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，可实现Al2O3陶瓷与镍基合金的真空扩散焊接，大幅度提高真空扩散焊在Al2O3陶瓷/镍基合金焊接工艺中的应用。技术方案：本专利技术所述的一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，包含以下步骤：(1)采用Ni-Ti合金靶材，利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni-Ti合金层；所述Ni-Ti合金层包括Ni-Ti沉积层及互扩散层；(2)利用离子注入方法在Al2O3陶瓷表面注入Ti离子；(3)将步骤(1)得到的镍基合金及步骤(2)得到的经表面处理的Al2O3陶瓷，在真空扩散焊设备中实现焊接。本专利技术利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni-Ti合金层，并利用离子注入方法在Al2O3陶瓷表面注入Ti离子，镍基合金和Al2O3陶瓷表面处理后，利用真空扩散技术实现Al2O3陶瓷与镍基合金的焊接。本专利技术利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni-Ti合金层主要分为沉积层、扩散层。Ni-Ti合金层与镍基合金基体呈冶金结合，这大大提高了Ni-Ti合金层与镍基合金基体的结合强度。镍基合金表面Ni-Ti合金层中Ni元素含量较高，镍基合金层弹性模量低，可通过本身塑性变形缓解焊接过程中产生的应力，减少焊接过程中裂纹的产生，有利于提高焊接强度。Ni-Ti合金层中Ti元素向Al2O3陶瓷内扩散，与Al2O3陶瓷中的O结合形成TiO和Ti2O，Al2O3陶瓷/镍基合金界面表现为机械镶嵌结合与化学键结合的共同作用，提高了界面强度。Al2O3陶瓷表面注入活性元素Ti后，其主要作用是Ti与Al2O3陶瓷中的O反应，在Al2O3陶瓷表面产生陶瓷与金属的复合物，增加与镍基合金表面Ni-Ti合金层的润湿性，有利于扩散焊接过程中合金层与Al2O3陶瓷之间元素互扩散，同时Ti离子注入后，在Al2O3陶瓷表面产生位错和空位，这也有利于扩散焊接过程中合金层与Al2O3陶瓷之间元素互扩散Al2O3陶瓷表面产生残余压应力，可有效抑制裂纹的萌生与扩展，提高其断裂韧性。进一步地，步骤(1)中所述Ni-Ti合金靶材中，Ni为70-80wt％，Ti为20-30wt％。步骤(1)中，所述Ni-Ti合金层中的Ni-Ti沉积层厚度为15-20μm；所述Ni-Ti合金层中的互扩散层厚度为5-7μm。如果Ni-Ti合金层厚度高于该范围，易造成Ni-Ti合金层与Al2O3陶瓷结合力下降，降低Al2O3陶瓷与镍基合金焊接强度。如果Ni-Ti合金层厚度低于该范围，同样会降低Al2O3陶瓷与镍基合金焊接强度。进一步地，所述Ni-Ti合金层中的互扩散层中Ti、Ni元素由Ni-Ti合金层向镍基合金基体内扩散，镍基合金中的Ni元素由镍基合金基体向Ni-Ti合金层内扩散，元素的相互扩散，使得合金层与基体呈冶金结合，结合强度高。步骤(2)中，所述Ti离子的注入剂量为1×1015-5×1017ions/cm2。真空散焊接对于工件表面的粗糙度有很高的要求。工件表面的粗糙度越低越有利于提高焊接质量。Ti离子注入可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)采用Ni‑Ti合金靶材，利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni‑Ti合金层；所述Ni‑Ti合金层包括Ni‑Ti沉积层及互扩散层；(2)利用离子注入方法在Al2O3陶瓷表面注入Ti离子；(3)将步骤(1)得到的镍基合金及步骤(2)得到的经表面处理的Al2O3陶瓷，在真空扩散焊设备中实现焊接。

【技术特征摘要】
1.一种提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)采用Ni-Ti合金靶材，利用双辉等离子表面冶金方法在镍基合金表面制备Ni-Ti合金层；所述Ni-Ti合金层包括Ni-Ti沉积层及互扩散层；(2)利用离子注入方法在Al2O3陶瓷表面注入Ti离子；(3)将步骤(1)得到的镍基合金及步骤(2)得到的经表面处理的Al2O3陶瓷，在真空扩散焊设备中实现焊接。2.根据权利要求1所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于步骤(1)中，所述Ni-Ti合金靶材中，Ni为70-80wt％，Ti为20-30wt％。3.根据权利要求1所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于步骤(1)中，所述Ni-Ti合金层中的Ni-Ti沉积层厚度为15-20μm；所述Ni-Ti合金层中的互扩散层厚度为5-7μm。4.根据权利要求3所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于，所述Ni-Ti合金层中的互扩散层中的Ti与Ni元素由Ni-Ti合金层向镍基合金基体内扩散，镍基合金中的Ni元素由镍基合金基体向Ni-Ti合金层内扩散。5.根据权利要求1所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于步骤(2)中，所述Ti离子的注入剂量为1×1015-5×1017ions/cm2。6.根据权利要求1所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于步骤(2)中，所述Al2O3陶瓷的表面粗糙度低于0.1μm。7.根据权利要求1所述的提高Al2O3陶瓷与镍基合金焊接性能的表面处理方法，其特征在于步骤(1)中，所述双辉等离子表面冶金方法为：(2a)将镍基合金和Ni-Ti合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以镍基合金为工件极，以Ni-Ti合金靶材为源极；(2b)抽真空至极限真空度，送入氩气，启动辉光，清洗Ni-Ti合金靶材，清洗镍基合金；(2c)...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，张平则，李逢昆，姚正军，李淑琴，丁丰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32