一种氧化铝陶瓷-钛合金一体化复合结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化铝陶瓷

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属
‑
陶瓷复合材料焊接领域，具体涉及一种氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]Al2O3陶瓷是一种具有高强度、良好的耐磨性、良好的绝缘性能、优异的抗腐蚀性的材料，经常被应用在航空航天、机械、化工等多个领域。然而，Al2O3陶瓷存在脆性较大、难以加工成复杂形状等缺点。钛合金熔点在1570
‑
1650℃，作为结构材料具有密度小、抗拉强度高、比强度大、抗腐蚀、耐热、低温冲击韧性良好等诸多优点。比强度是评价航空及宇航工业用材料的重要指标，高温下TC4仍具有足够高的强度。因此，该合金在航空、宇航学、造船、电子封装等方面日益获得广泛应用。在以上众多应用中，很多都需要钛合金和陶瓷结合起来使用，形成陶瓷/钛合金异种接头。
[0003]陶瓷与金属焊接连接的两大核心难点，一是两者的热膨胀系数差异大，在焊接和使用过程中，加热和冷却必然产生热应力，由于残余应力的作用必然容易在接头处破坏，二是两者的润湿性较差。钎焊是焊接陶瓷与金属常用的方法，陶瓷的钎焊以钎料在陶瓷表面能够润湿为前提，但是一般来说陶瓷很难被钎料润湿。同时，钎焊的缺点在于接头的结合强度不高，主要用于密封的焊缝。对于结构陶瓷而言，连接界面往往需要承受较高的应力，需要选择活性金属作为中间层，以改善和促进金属在陶瓷表面的润湿。
[0004]陶瓷和金属的热膨胀系数不同，在扩散焊和使用过程中，加热和冷却会产生热应力，残余应力的作用必然容易在接头处破坏，因此常加入中间层吸收这种内应力。中间层一般为活性金属为主，对于中间层的厚度及种类要求比较高，但是很多中间层容易与金属反应生成脆性的碳化物，从而使得接头性能变差。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术目在于提供一种氧化铝陶瓷
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钛合金一体化复合结构及其制备方法，以解决现有焊料所存在的焊接温度较低、焊接接头结合强度差等问题，从而获得陶瓷
‑
金属之间良好的热膨胀系数匹配性，提高陶瓷
‑
金属复合结构的耐高温性能。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构的制备方法，所述氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构具有钛合金表面金属化基体
‑
过渡层
‑
氧化铝陶瓷基体结构；所述制备方法包括：(1)在钛合金表面化学施镀第一金属，得到钛合金表面金属化基体；(2)将氧化铝陶瓷粉、ZTA陶瓷粉、第二金属粉以及烧结助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体混合，得到氧化铝陶瓷基体粉；以所述氧化铝陶瓷基体原料粉体的总质量为100％计，氧化铝陶瓷粉的质量占比为80
‑
90％，ZTA陶瓷粉的质量占比为1
‑
10％，第二金属粉的质量占比为1
‑
10％，烧结助剂的质量占比为0.5
‑
2％；
(3)将镀镍α
‑
Al2O3粉、氧化锆粉、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料混合，得到过渡层复合粉；以过渡层复合粉体原料的总质量为100％计，镀镍α
‑
Al2O3粉的质量占比为50
‑
80％，氧化锆粉的质量占比为10
‑
20％，第三金属粉的质量占比为5
‑
30％；(4)将过渡层复合粉、氧化铝陶瓷基体粉依次加入模具中，加压得到复合陶瓷坯体；经第一次烧结，得到具有过渡层
‑
氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构；(5)将复合陶瓷结构与钛合金表面金属化基体装填于模具，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触，经第二次烧结，得到所述氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构。
[0007]较佳地，所述第一金属为镍、铜或者镍铬合金；化学施镀第一金属的镀液温度为80～90℃，施镀速度为20～25μm/h；控制化学施镀得到的第一金属膜层厚度为10
‑
50μm。
[0008]较佳地，所述氧化铝陶瓷粉为α
‑
Al2O3陶瓷粉；所述ZTA陶瓷为氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷，其中：所述氧化铝为α
‑
Al2O3，质量百分含量为60
‑
90wt％；氧化锆为3Y
‑
ZrO2、5Y
‑
ZrO2、8Y
‑
ZrO2中的至少一种，质量百分含量为10
‑
40wt％。
[0009]较佳地，所述第二金属粉为Ni粉、Mo粉、Cu粉、Ti粉、Nb粉、钛合金粉中的至少一种；所述烧结助剂为氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化硅中的至少一种。
[0010]较佳地，所述第三金属为钛合金、Ti、Ni、Cu、Nb中的至少一种。
[0011]较佳地，控制质量比氧化铝陶瓷基体粉：过渡层复合粉＝(3
‑
6):1。
[0012]较佳地，所述第一次烧结在真空炉中进行，真空度低于1
×
10
‑2Pa；烧结温度为1450
‑
1700℃，保温时间为0.5
‑
2小时；在1000
‑
1200℃时通入氩气。
[0013]较佳地，所述第二次烧结在真空热压炉中进行，压强为1
‑
30MPa，真空度低于3
×
10
‑3Pa，烧结温度为800
‑
1300℃，保温时间为0.1
‑
1小时。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种根据上述制备方法得到的氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构。
[0015]有益效果本专利技术通过过渡层成分设计及三层结构设计，在钛合金表面金属化，过渡层可与钛合金基体及氧化铝基体发生一定程度的反应形成相互结合的微观区域，在宏观上增加氧化铝陶瓷与钛合金之间的润湿性。同时，通过梯度调控过渡层体系组合结构，建立氧化铝陶瓷及钛合金之间热膨胀系数的梯度过渡，实现了更好的热膨胀系数匹配性，从而实现复合材料物理性能从氧化铝陶瓷母材到钛合金的梯度过渡，缓解接头处的残余应力，获得良好的焊接性能，接头无裂纹、气孔等连接缺陷，提高接头处的强度。
附图说明
[0016]图1为实施例1制备的氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构中氧化铝陶瓷基体的界面SEM图；图2为实施例1制备的氧化铝陶瓷
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钛合金一体化复合结构微观形貌图。
具体实施方式
[0017]通过实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非
限制本专利技术。
[0018]本专利技术提供了一种氧化铝陶瓷与钛合金的高效焊接方法，通过三层结构设计，实现陶瓷
‑
金属无钎料焊接连接。改善了陶瓷
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷
‑
钛合金一体化复合结构具有钛合金表面金属化基体
‑
过渡层
‑
氧化铝陶瓷基体结构；所述制备方法包括：(1)在钛合金表面化学施镀第一金属，得到钛合金表面金属化基体；(2)将氧化铝陶瓷粉、ZTA陶瓷粉、第二金属粉以及烧结助剂组成的氧化铝陶瓷基体原料粉体混合，得到氧化铝陶瓷基体粉；以所述氧化铝陶瓷基体原料粉体的总质量为100％计，氧化铝陶瓷粉的质量占比为80
‑
90％，ZTA陶瓷粉的质量占比为1
‑
10％，第二金属粉的质量占比为1
‑
10％，烧结助剂的质量占比为0.5
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2％；(3)将镀镍α
‑
Al2O3粉、氧化锆粉、第三金属粉组成的过渡层复合粉体原料混合，得到过渡层复合粉；以过渡层复合粉体原料的总质量为100％计，镀镍α
‑
Al2O3粉的质量占比为50
‑
80％，氧化锆粉的质量占比为10
‑
20％，第三金属粉的质量占比为5
‑
30％；(4)将过渡层复合粉、氧化铝陶瓷基体粉依次加入模具中，加压得到复合陶瓷坯体；经第一次烧结，得到具有过渡层
‑
氧化铝陶瓷基体结构的复合陶瓷结构；(5)将复合陶瓷结构与钛合金表面金属化基体装填于模具，控制复合陶瓷结构的过渡层与钛合金表面金属化层接触，经第二次烧结，得到所述氧化铝陶瓷
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钛合金一体化复合结构。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一金属为镍、铜或者镍铬合金；化学施镀第一金属的镀液温度为80～90℃，施镀速度为20～25μm/h；控制化学施镀得到的第一金属膜层厚度为10
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50μm。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷粉为α
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈朝然，张兆泉，刘学建，范武刚，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：