【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及异种材料的连接，尤其涉及一种仿生结构界面强化的陶瓷或陶瓷基复合材料钎焊方法。
技术介绍
1、陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊连接过程中，由于两者热膨胀系数及弹性模量差异较大，使得陶瓷或陶瓷基复合材料与金属焊接后在冷却过程中表现出不同的收缩趋势，从而在接头处产生较大的残余应力，诱使接头开裂，因而降低接头强度。同时，合金钎料在具有同种键型的金属较容易铺展、润湿，而对于以共价键为主的陶瓷或陶瓷基复合材料，其表现出较差的润湿性，因而使得金属与其难以形成有效的冶金反应。故实现合金钎料在陶瓷或陶瓷基复合材料表面良好的润湿，形成致密的冶金反应层，并解决陶瓷或陶瓷基复合材料与钎料/金属因热失配造成的残余应力难题，是获得金属/陶瓷或陶瓷基复合材料可靠钎焊接头的首要任务。
2、自然界中捕食者与被捕食者间存在“矛与盾”式的生存竞争，使得生物体演化出兼具轻质、高强度、高韧性和高抗冲击性的结构材料，如以螳螂虾和贝壳为生物原型，研究其微观界面结构特征，揭示结构与性能间的关系。研究表明：螳螂虾趾棒冲击区由矿化甲壳素纤维与有机质以类正弦界面连接，当其受到外载荷时，类正弦结构发生变形，使得其应力沿纤维传递，因而可实现有效的应力均化；贝壳珍珠母内相邻文石块间呈现出波浪状形貌，形成互锁界面，可有效实现应力传递，并增加珍珠层韧性。此外，大量研究也表明构筑复杂界面仿生结构可有效解决材料强度和韧性间的矛盾。因此，基于螳螂虾冲击区和贝壳珍珠母界面结构及增韧机理，设计并制备复杂界面仿生结构，并将其应用于钎焊中，使得钎焊接头在冷却过程中产生的残余应力得以
3、然而，陶瓷或陶瓷基复合材料因其硬脆性以及纤维复合材料的特性加大了结构制备难度，使得采用诸如机械加工、金刚石线切割和短脉冲激光加工等技术难以实现高精度结构加工。同时，由于钎焊接头所需结构尺寸为微米量级，因而，进一步加大了在陶瓷与金属表面制备高质、高精度的仿生结构的难度。因此，提出一种有效缓解金属/陶瓷或陶瓷基复合材料钎焊接头残余应力的仿生结构，并实现其可控、高质与高精度的加工，对实现金属/陶瓷或陶瓷基复合材料的有效连接具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决现有技术存在金属与陶瓷或陶瓷基复合材料连接时因热失配和弹性模量差异较大而导致的接头开裂、以及活性钎料在陶瓷或陶瓷基复合材料表面难以铺展、润湿差等问题，提出了一种利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，本专利技术能够有效提高活性钎料在陶瓷或陶瓷基复合材料表面的润湿性，缓解异种材料连接接头处的残余应力，提高接头强度，避免接头开裂，实现异种材料的高质量连接。
2、本专利技术利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法按以下步骤进行：
3、步骤一：对待焊材料的待焊面进行预处理，然后采用紫外超短脉冲激光加工设备在待焊面加工仿生结构，得到单正弦仿生结构；
4、所述仿生结构的加工方法为：将表征仿生结构的特征参数和轨迹文件导入加工设备，将待焊材料固定后开启激光和保护气体，使激光束沿预设定的轨迹文件在待焊面形成波形面，形成的波形面的为类正弦结构，类正弦结构满足公式：公式中a为仿生结构振幅，a＝12-100μm；λ为仿生结构波长，λ＝90～120μm；x为仿生结构加工的相对位置，仿生结构加工的起始点为x＝0；
5、所述特征参数为类正弦结构的波长λ和类正弦结构的振幅a；
6、所述轨迹文件包括扫描策略与工艺参数；所述扫描策略为：将待焊材料表面划分数个扫描结构，每个扫描结构内设置数个平行的扫描线，将每个扫描结构内的扫描线由扫描结构外侧向中心进行分组，每组包括以扫描结构中心的且相互对称的2～4条扫描线；激光扫描时激光束光斑以每组内的扫描线为行走路径进行之字形扫描；由扫描结构外侧向内侧依次进行分组扫描，较外侧组扫描完成后进行轿内侧组的扫描时进行进给；较外侧组的扫描速度高于较内侧组的扫描速度，较外侧组的进给次数低于较内侧组的进给次数；所述工艺参数为：激光功率、扫描速度、激光脉冲重复频率、扫描次数、扫描线间距、扫描线宽度、进给次数、进给距离、结构间距；
7、步骤二：将扫描线的方向改为垂直于步骤一种的扫描线后重复步骤一，得到双正弦仿生结构；
8、步骤三：采用丙酮将步骤二中加工所得的待焊材料进行超声清洗，然后在待焊材料的待焊面之间涂覆钎料组成待焊件；
9、步骤四：将步骤三所得待焊件放入真空钎焊炉中，施加压力进行固定，开启钎焊设备，进行钎焊连接；所述钎焊连接工艺为：控制真空度为1×10-3pa，以1～10℃/min的升温速率加热至840～900℃并保温10～30min，再以5℃的降温速率冷却至350℃，随后随炉冷却至室温。
10、本专利技术原理及有益效果为：
11、本专利技术基于紫外超短脉冲激光、以及材料的光化学和光热作用，并利用激光高精度和高可控性的加工特点，采用紫外超短脉冲激光加工技术制备仿生结构，从而在金属、陶瓷、陶瓷基复合材料表面获得结构特征参数可控的仿生结构，并将仿生结构应用于金属材料与陶瓷或陶瓷基复合材料的异种连接领域，能够有效缓解接头内部残余应力，提高接头强度，实现异种材料的高质量连接。
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1.一种利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法按以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述工艺参数为：激光功率为9～21W，激光脉冲重复频率为300～1000kHz，扫描速度为200～1500mm/s，扫描线间距为6～12μm，扫描次数为1～10次，进给次数为1～8次，进给距离为0.01～0.025mm，结构间距为0.015mm～0.060mm；扫描线宽度为14微米；扫描线间距为相邻扫描线中心之间的宽度，结构间距为相邻的扫描结构的距离。
3.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述采用紫外超短脉冲激光加工设备为紫外超短脉冲激光器，激光波长为275～355nm，脉冲宽度为299fs～10ps，激光器配备二维扫描振镜。
4.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述保护
5.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述预处理工艺为：采用砂纸打磨抛光待焊材料的待焊面，然后置于丙酮中超声清洗10～20min，最后自然风干。
6.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述待焊材料为金属、陶瓷或陶瓷基复合材料。
7.根据权利要求6所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：所述金属为钛合金或因瓦合金。
8.根据权利要求6所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：所述陶瓷基复合材料为SiO2f/SiO2复合材料、SiCf/SiC复合材料或C/SiC复合材料；所述陶瓷为石英陶瓷或氧化铝陶瓷。
9.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤三所述超声清洗时的时间为10～20min。
10.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤三所述钎料为TiZrNiCu钎料或AgCuTi钎料。
...【技术特征摘要】
1.一种利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法按以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述工艺参数为：激光功率为9～21w，激光脉冲重复频率为300～1000khz，扫描速度为200～1500mm/s，扫描线间距为6～12μm，扫描次数为1～10次，进给次数为1～8次，进给距离为0.01～0.025mm，结构间距为0.015mm～0.060mm；扫描线宽度为14微米；扫描线间距为相邻扫描线中心之间的宽度，结构间距为相邻的扫描结构的距离。
3.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述采用紫外超短脉冲激光加工设备为紫外超短脉冲激光器，激光波长为275～355nm，脉冲宽度为299fs～10ps，激光器配备二维扫描振镜。
4.根据权利要求1所述的利用仿生结构界面强化陶瓷或陶瓷基复合材料与金属钎焊的方法，其特征在于：步骤一所述保护气体为ar。
5.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：常青，赵淑珍，张丽霞，孙湛，张博，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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