一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法技术

一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，本发明专利技术涉及一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法。本发明专利技术是要解决单层活性金属中间层无法形成匀质互溶接头的问题，方法为：一、表面清理；二、预置活性金属层；三、真空扩散连接，即完成。本发明专利技术在采用Ti/Zr/Ti复合活性金属为中间层来连接ZrC陶瓷时，在连接条件1400℃/1h/20MPa下，接头组织仅有ZrC和TiC的固溶体，接头剪切强度为240MPa，和单层活性金属中间层得到的接头相比，接头强度提高了26％；与传统方法相比，接头强度提高了近2.5倍。本发明专利技术应用于钎焊领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法
本专利技术涉及一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法。
技术介绍
过渡族金属碳化物或氮化物陶瓷MCx或MNx(TiC，ZrC，和HfC等或TiN，Zr3N4等)具有熔点高(几乎均在3000℃以上)、硬度大、热膨胀系数低以及耐磨和耐腐蚀性能好等优异的性能，已被认为在超高温条件下(如超音速飞行器、下一代火箭发动机和气冷快速反应堆等)最具有发展前景的陶瓷材料。但是，这些超高温陶瓷部件在实际应用中通常需要和金属或者他们自身连接起来，所以连接是这些超高温陶瓷部件加工制造过程中必不可少的环节。在焊接领域，对一般陶瓷来说，基本的要求是获得具有良好机械性能的接头。但是，对于超高温陶瓷构件来说，除了这个基本要求以外，由于他们苛刻的工作环境，还对接头的耐热性能有较高的要求。所以，如何获得具有良好机械性能且耐高温性能的接头是超高温陶瓷连接的重点和难点。但是，对于超高温间隙碳化物或者氮化物陶瓷来说，现有的连接方法，如钎焊、扩散焊、液相扩散连接等，都不能很好地解决接头的耐热性问题以及因为异质相的存在导致的残余应力问题。为了解决这两个问题，申请人已发表的专利(申请号CN201310227145.0)中，提出来了一种基于高温应用的间隙碳化物或氮化物陶瓷的活性扩散连接方法，以单层活性金属为中间层，致力于形成无金属相残留并与母材成分相近的均匀的连接接头。但该方法对于缺位含量较少的超高温间隙碳化物或氮化物陶瓷(如ZrC)来说，以单层活性金属Ti为中间层时，在实际连接过程中，很难能形成匀质扩散接头，只能在界面处形成两相共存的全陶瓷接头。这是由于新生碳化物在连接条件(连接温度低于1400℃)下并不能完全固溶于母材中所导致的，这主要与两相之间的溶解度间隙有关，使得形成均质接头所需要的时间、温度及压力非常苛刻。
技术实现思路
本专利技术是要解决单层活性金属中间层无法形成匀质互溶接头及接头强度低的问题，提供一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法。本专利技术一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，按以下步骤进行：一、表面清理：采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，超声清洗10min～15min，最后置于干燥箱内烘干，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为2～10μm的活性金属层A，得到两个具有活性金属层的陶瓷母材，然后在两个陶瓷母材的活性金属层上进行二次磁控溅射或电子蒸镀，预置厚度为5～20μm的活性金属层B，得到两个具有双层活性金属层的陶瓷母材，依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个具有双层活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的活性金属层A和B中的活性金属均为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，活性金属层A和B中的活性金属为两种金属；三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的具有活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa的条件下，以5～10℃/min的速度加热到700℃，然后保温10～180min，接着以5～10℃/min的速度升温至连接温度1300～1400℃，保温10～180min时间后，以5℃/min的速度冷降至800℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，之后随炉冷却至室温，即完成。本专利技术在相同连接温度下实现匀质固溶接头的形成，很好地解决了单层中间层接头中碳化物或氮化物间有限固溶的问题。针对间隙碳化物或氮化物陶瓷，特别对于含缺位较少的间隙碳化物或氮化物陶瓷，通过在陶瓷连接界面引入复合过渡活性金属中间层与母材反应，在陶瓷接头的高温使用方面，由于复合中间层在连接过程中的活性反应形成高熔点碳化物或氮化物，无金属相残留，因此可实现提高接头使用温度的目的；在连接接头的残余应力方面，通过减少与母材有限固溶的碳化物或氮化物的形成量，增加与母材完全固溶的碳化物或氮化物的形成量，使得新生碳化物或氮化物与母材基体间可相互扩散与完全固溶，实现真正的无缝连接，和单层过渡金属层相比，可进一步缓解异种接头热应力并提高接头的强度；此外，本专利技术采用复合活性金属作为中间层，由于金属和金属之间的扩散要快于金属向陶瓷之间的扩散，所以，复合活性金属中间层间的快速扩散，和相同厚度的单层活性金属相比，增加了界面反应的扩散能力，使得连接温度大幅降低500-800℃，提高了效率，节省了能源。综上所述，与传统陶瓷连接方法相比，本专利技术解决了陶瓷连接中接头残余应力大、强度低、耐热性能不足、连接温度高等问题，能够在较低温度条件下，实现含缺位较少间隙碳化物或氮化物陶瓷的低应力、耐高温、高可靠、高效率的连接；与采用单层活性金属为中间层活性扩散连接方法相比，本专利技术在继承其全部优点的同时，实现了含缺位较少的间隙碳化物或氮化物陶瓷的无缝连接，进一步充分缓解了接头残余应力，提高了接头强度。本专利技术采用Ti/Zr/Ti复合活性金属为中间层来连接ZrC陶瓷时，在相同的连接条件1400℃/1h/20MPa下，接头组织仅有ZrC和TiC的固溶体(Zr,Ti)Cx，得到了匀质固溶接头，实现了碳缺位含量较少的ZrC陶瓷的无缝活性扩散连接，该条件下，接头剪切强度为240MPa，和母材强度(237MPa)相当，断裂发生在母材上。和单层活性金属中间层得到的接头相比，接头强度提高了26％；与传统陶瓷连接方法相比，接头强度提高了近2.5倍。附图说明图1为实施例一中对比实施例的ZrC接头的组织形貌；图2为实施例一的ZrC接头的组织形貌。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，按以下步骤进行：一、表面清理：采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，超声清洗10min～15min，最后置于干燥箱内烘干，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为2～10μm的活性金属层A，得到两个具有活性金属层的陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、表面清理：采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，超声清洗10min～15min，最后置于干燥箱内烘干，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为2～10μm的活性金属层A，得到两个具有活性金属层的陶瓷母材，然后在两个陶瓷母材的活性金属层上进行二次磁控溅射或电子蒸镀，预置厚度为5～20μm的活性金属层B，得到两个具有双层活性金属层的陶瓷母材，依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个具有双层活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的活性金属层A和B中的活性金属均为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，活性金属层A和B中的活性金属为两种金属；三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的具有活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10‑3Pa～1.3×10‑4Pa的条件下，以5～10℃/min的速度加热到700℃，然后保温10～180min，接着以5～10℃/min的速度升温至连接温度1300～1400℃，保温10～180min时间后，以5℃/min的速度冷降至800℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，之后随炉冷却至室温，即完成。...

【技术特征摘要】
1.一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、表面清理：采用500#～1500#中的两种或其中两种以上型号的金刚石磨盘对两个待连接的陶瓷母材进行逐级打磨，再用1500#～2000#中的两种或其中两种以上型号的水磨砂纸逐级精磨，最后对精磨后的两个待连接的陶瓷母材进行抛光后，置于丙酮中，超声波清洗15min～30min，然后置于无水乙醇中，超声清洗10min～15min，最后置于干燥箱内烘干，即得到两个表面清理后的陶瓷母材；其中所述的陶瓷母材为MCx单相陶瓷、MNx单相陶瓷、MNx/MNx复相陶瓷、MCx/MCx复相陶瓷或MNx/MCx复相陶瓷；二、预置活性金属层：采用磁控溅射技术或者电子蒸镀的方式在步骤一得到的两个表面清理后的陶瓷母材表面预置厚度为2～10μm的活性金属层A，得到两个具有活性金属层的陶瓷母材，然后在两个陶瓷母材的活性金属层上进行二次磁控溅射或电子蒸镀，预置厚度为5～20μm的活性金属层B，得到两个具有双层活性金属层的陶瓷母材，依次用丙酮和无水乙醇对得到的两个具有双层活性金属层的陶瓷母材清洗镀层表面5min～10min，吹干后得到两个待连接试样；其中所述的活性金属层A和B中的活性金属均为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，活性金属层A和B中的活性金属为两种金属，且活性金属层A和B应选择与陶瓷母材形成完全固溶相的金属；三、真空扩散连接：将步骤二得到的两个待连接试样的具有活性金属层的待连接界面叠加起来，置于真空扩散炉中，在连接压力为15MPa～25MPa、真空度为0.8×10-3Pa～1.3×10-4Pa的条件下，以5～10℃/min的速度加热到700℃，然后保温10～180min，接着以5～10℃/min的速度升温至连接温度1300～1400℃，保温10～180min时间后，以5℃/min的速度冷降至800℃，然后以10℃/min的速度冷却至100℃，之后随炉冷却至室温，即完成。2.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的MCx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤1；步骤一中所述的MNx单相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤1；步骤一中所述的MNx/MNx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤1；步骤一中所述的MCx/MCx复相陶瓷中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为0.55≤x≤1；步骤一中所述的MNx/MCx复相陶瓷中，MNx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤1，MCx中的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta，x为：0.55≤x≤1。3.根据权利要求1所述的一种基于高温应用的实现间隙碳化物或氮化物陶瓷无缝连接的复合活性中间层扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：何鹏，林铁松，潘瑞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23