一种金属与陶瓷的多层钎焊结构和钎焊方法技术

本发明专利技术提供了一种金属与陶瓷的多层钎焊结构和钎焊方法，其特征在于，该钎焊结构至少具有第一钎焊材料和第二钎焊材料，所述第一钎焊材料选自金属或金属混合材料；所述第二钎焊材料为用于将所述第一钎焊材料与气氛隔绝的密封材料。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了，其特征在于，该钎焊结构至少具有第一钎焊材料和第二钎焊材料，所述第一钎焊材料选自金属或金属混合材料；所述第二钎焊材料为用于将所述第一钎焊材料与气氛隔绝的密封材料。【专利说明】
本专利技术属于焊接
，涉及一种金属与陶瓷的多层钎焊结构和多层钎焊方法。所述钎焊方法适用于高温气氛下金属与陶瓷间的密封连接。
技术介绍
陶瓷材料由于具有强度高、硬度大、耐高温以及抗腐蚀等优异的力学和物理化学性能，在航空、航天、军工、能源、汽车等制造领域获得了广泛应用。但是，陶瓷材料塑形性能差，机械加工困难，不易制造成复杂构件，因此一般需要与金属结合在一起，获得兼具金属/陶瓷优异性能的金属/陶瓷复合构件。目前希望将金属/陶瓷复合构件应用于能源领域中的固体氧化物燃料电池制造和汽轮机制造以及真空高温系统等应用场合。但是，由于金属/陶瓷在微观结构、物理和力学性能方面的不同，需要对金属和陶瓷进行连接的特殊方法。而且，在这些场合，由于金属/陶瓷复合构件需要在450°C -800°C的高温下工作，因此需要能满足金属/陶瓷复合构件在高温长时间工作的金属/陶瓷密封连接。
技术实现思路
在这个温度范围内的金属/陶瓷密封连接中，无法使用普通的密封材料。为了满足在高温下运行的需要，本专利技术人尝试使用金属、陶瓷或玻璃进行密封。但是，专利技术人通过研究发现，在45 0°C -800°C长时间工作条件下，无论金属、陶瓷或玻璃的密封性能都会有在不足。具体而言，当使用玻璃材料进行密封时，通过调节组分以及热处理方法控制玻璃的结晶，调整密封玻璃与金属/陶瓷的热匹配，可获得良好的密封性能。但由于玻璃属于脆性材料，不耐热冲击，在快速热循环下密封性能会急剧变差，例如，当对BaO-CaO基玻璃密封进行了 40次快速热循环，此玻璃密封强度完全被破坏。高温金属密封可以获得良好的密封性能。同时由于金属密封在高温(4500C -800°C)下具有延展性，因此能弥补金属部件与陶瓷之间的热匹配失衡。但是，在高温下工作长时间后，金属由于存在一定的饱和蒸气压，会很缓慢的蒸发，从而导致密封结构失效；另一方面，在某些气氛条件下，长时间工作后，金属焊缝会受到化学腐蚀，密封性能下降。以固体氧化物燃料电池中Ag基密封材料为例，Ag基密封在经过1000小时以后，氢气和空气会溶解进入Ag内部，然后在Ag内部反应生成H2O,并形成空洞，逐步导致密封性能的下降。为了解决上述技术问题，专利技术人经过深入研究，发现可以通过组合使用金属或金属混合材料以及气氛隔绝用密封材料实现良好的密封效果。因此，本专利技术的第一方面是提供一种金属与陶瓷的多层钎焊结构，其特征在于，该钎焊结构至少具有第一钎焊材料和第二钎焊材料，所述第一钎焊材料选自金属或金属混合材料；所述第二钎焊材料为用于将所述第一钎焊材料与气氛隔绝的密封材料。根据本专利技术的第二方面，是如第一方面所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中所述金属或金属混合材料选自银基材料或镍基材料。根据本专利技术的第三方面，是如第一或第二方面所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中所述银基材料或镍基材料为粉末、合金带、合金丝或膏状形式。根据本专利技术的第四方面，是如第三方面所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中所述粉末的粒径为小于10微米。根据本专利技术的第五方面，是如第一或第二方面所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中所述银基材料为为银基金属或由银基金属与陶瓷粉末组成，所述镍基材料为镍基金属或由镍基金属与陶瓷粉末组成，所述陶瓷粉末优选选自Al2O3、钇稳定氧化锆和ZrO2，优选所述陶瓷粉末的量为0-10质量％。根据本专利技术的第六方面，是如第五方面所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中在所述银基金属中，Ag为80摩尔％-96摩尔％，Cu和/或Ti为4摩尔％_20摩尔％ ;在所述镍基金属中，Ni为65摩尔％-90摩尔％，B、Cr、Si和/或W为10摩尔％_35摩尔％。根据本专利技术的第七方面，是如第一至第六任一方面中任一项所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其中所述第二钎焊材料为玻璃或陶瓷，优选为玻璃。根据本专利技术的第八方面，是如第一至第七方面中任一项所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，所述多层钎焊结构为双层钎焊结构。根据本专利技术的第九方面，提供了一种钎焊方法，所述方法用于形成如第一方面至第八方面中任一项所述的金属与陶瓷的多层钎焊结构，其特征在于所述方法包括以下步骤:将所述第一钎焊材料和所述第二钎焊材料先后涂敷于金属与陶瓷之间的封接表面，通过热处理，形成固化的密封连接，其中所述第二钎焊材料使所述第一钎焊材料与气氛隔绝。 【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术的双层钎焊的原理图；图2是实施例1的将SiO2-CaO-BaO基玻璃焊料涂敷在Ag-Cu金属焊缝上的显微镜图像；图3是实施例1的玻璃/金属双层钎焊结构在氢气/氧气气氛下工作1000小时后的显微镜图像；图4是实施例1的玻璃/金属双层钎焊结构在氢气/氧气气氛下工作1000小时后，去除表面玻璃密封后金属密封的显微镜图像；图5是对比例I的金属单层钎焊结构在氢气/氧气气氛下工作1000小时后的显微镜图像。图6是对比例3的玻璃/金属双层钎焊结构在氢气/氧气气氛下工作1000小时后，去除表面玻璃密封后金属密封的显微镜图像。【具体实施方式】本专利技术的结构特征如图1所示。图1显示了用于450°C -800°C工作温度下的金属I/陶瓷2之间的密封连接的钎焊结构，其特征在于该钎焊结构具有第一钎焊材料3和第二钎焊材料4，其中第一钎 焊材料3选自金属或金属混合材料，具有金属延展性和电气导通性；而第二焊接材料4为用于将所述第一钎焊材料与气氛隔绝的密封材料，使第一钎焊材料对气氛5保持化学安定。通过使用第二钎焊材料4，可以避免第一钎焊材料3的蒸发，并且可以避免因第一钎焊材料3与周围气氛接触而导致的化学腐蚀，尤其是可以避免因氢气和氧气在第一钎焊材料3中生成H2O,从而在第一钎焊材料3中生成孔洞。本专利技术所使用的第一钎焊材料可以是金属或金属混合材料。所述金属优选为银基材料或镍基材料。这是因为，在金属钎焊材料中，银基或镍基材料其熔点高于900度且高温下化学性质稳定，可在800度以下温度长期工作。所述银基材料可以单独由银基金属构成，优选为Ag与Cu和/或Ti的合金，其中Ag为80摩尔％-96摩尔％，Cu和/或Ti为4摩尔％-20摩尔％。在Ag中加入Cu和/或Ti可增加钎焊料和陶瓷之间的润湿性，当Ag的比例高于96摩尔％时，钎料的润湿性太差，不能作为金属与陶瓷之间的封接；当Ag的比例低于80%时，焊缝的强度会降低至不足以作为封接。所述镍基材料可以单独由镍基金属构成，优选为Ni与选自B、Cr、Si和W中的至少一种的合金，其中Ni为65摩尔％_90摩尔％，选自B、Cr、Si和W中的至少一种为10摩尔％-35摩尔％。在Ni中加入B、Cr、Si和/或W，可以降低其熔点，并增加其和陶瓷之间的润湿性，当Ni的比例高于90摩尔％时，钎料的润湿性太差，不能作为金属与陶瓷之间的封接；当附的比例低于65%时，焊缝的强度会降低至不足以作为封接。在所述银基材料或镍基材料中，除了银基金属或镍基金属外，还可以包含陶瓷粉末。所述陶瓷粉末优选选自Al2O3、钇稳定氧化锆和ZrO2，所述陶瓷粉末的量为0-10质量％。在上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属与陶瓷的多层钎焊结构，其特征在于，该钎焊结构至少具有第一钎焊材料和第二钎焊材料，所述第一钎焊材料选自金属或金属混合材料；所述第二钎焊材料为用于将所述第一钎焊材料与气氛隔绝的密封材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：籍伟杰，谢斌，李明，张磊，姜友松，
申请(专利权)人：吉世尔合肥能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：