陶瓷表面的高能超声金属涂覆法

摘要

一种陶瓷表面的高能超声金属涂覆法，属于金属铸造领域。本发明以高能超声为手段，采用微细陶瓷粉末与金属液形成的复合材料作为金属涂层，通过高能超声实现微细陶瓷颗粒在金属基体中的均匀弥散分布，并以此为涂层在高能超声的作用下实现与陶瓷表面牢固粘接的金属涂覆。本发明可降低目前常用金属化温度，所用极细颗粒均匀分散于金属层中时，可显著减小金属与陶瓷间连接区域的热应力，实现陶瓷与金属的牢固连接。同时本方法对陶瓷材料的种类并无限制，可在各类陶瓷工件的表面制备金属涂层，涂层厚度可调，且可以在金属涂层中添加相应的陶瓷微粒，以调节涂层与基体陶瓷间的热应力状态，提高涂层与基体陶瓷间的结合力。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超声金属涂覆法，特别是一种陶瓷表面的高能超声金属涂覆法，属于金属铸造领域。

背景技术

实现陶瓷与金属的有效连接可进一步扩大陶瓷与金属的应用范围，但由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料，相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异，特别是化学键差异较大，很难实现两者的有效连接。无论是采用整体连结方式的粘合剂粘接连、钎焊和固相压力扩散焊，还是以热喷涂为代表的表面加工方法，陶瓷与金属层的结合强度都不高，对连接表面的加工和连接设备的要求高，工艺复杂。经文献检索发现，熊华平等人在《材料科学与工艺》，1999(7)：148-152上撰文“Cu-Ni-Ti系合金钎料对Si₃N₄陶瓷自身及其与金属的连接研究”，该文介绍了钎焊时因为陶瓷材料很难被钎料润湿，大多数钎料在接头上往往只形成球珠，很少产生或根本不产生润湿，因此需要添加表面活性元素并在高温保护气氛下进行烧结处理，形成的金属化层一般厚度仅为数十微米，不仅工艺复杂，工件亦变形，且由于陶瓷与金属的热膨胀系数相差悬殊，会引起较大的界面残余应力，容易导致接头在使用过程中开裂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种陶瓷表面的高能超声金属涂覆法，使其利用高能超声的方法，在陶瓷的表面形成结合紧密、无缺陷的含有陶瓷微粒的金属层，使其实现陶瓷与金属的牢固连结。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法以高能超声为手段，采用微细陶瓷粉末与金属液形成的复合材料作为金属涂层，利用高能超声实现微细陶瓷颗粒在金属基体中的均匀弥散分布，并以此为涂层在高能超声的作用下实现与陶瓷表面牢固粘接的金属涂覆。

以下对本发明方法作进一步的说明，方法步骤如下：

(1)首先在超声作用下实现微细陶瓷颗粒在金属熔体中的均匀分散，陶瓷颗粒可选择与基体陶瓷性质相同或相近的材料，颗粒体积分数为0-5％，颗粒平均粒度为0.1-10微米。陶瓷工件在处理前采用常规超声清洗工艺清洗表面，并在与金属液熔化温度相同的温度条件下加热保温30分钟；金属为需要涂覆的金属层本身，当所用金属为易氧化材料时，可采用惰性气体加以保护。

(2)在金属液槽中加入混有微细陶瓷颗粒的金属液，利用加热保温设备维持金属液在金属熔点以上40度，金属液的加入量需保证超声变幅杆的端面在液面下0.5-3mm；

(3)用专用夹具将待处理的陶瓷工件夹持住并置于金属液上方，将预加工面浸入金属液面以下0.1-1.5mm。

(4)调整超声变幅杆的端面和陶瓷工件的预加工面间的距离并保持在0.4-2.9mm。

(5)使用超声频率为19-22kHz，变幅杆端面的声能密度不小于100W/cm²。

(6)处理时间根据工件的材质决定，一般为0.5-5min，加工完毕，在夹具的作用下通过旋转作用产生的离心力将陶瓷表面粘附的金属液与工件分离掉，转速根据陶瓷与金属液的润湿性及金属液自身的表面张力大小的不同而改变，一般为100-250rpm，从而确保工件金属层表面的光洁。

(7)将涂覆有金属层的陶瓷工件缓慢冷却。

高能超声的作用在于通过空化效应与射流效应将陶瓷微粒均匀分散在金属熔体中，然后同样是在空化效应与射流效应的作用下，一方面活化陶瓷表面，一方面促进金属与陶瓷间的润湿，从而实现金属与陶瓷的紧密结合。对致密度不高的陶瓷来说，可以在金属涂层与陶瓷间形成价键结合之外，产生一定的机械结合作用。对高致密度陶瓷而言，则主要依靠金属与陶瓷间形成的价键结合。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明利用高能超声对陶瓷表面涂覆金属，是在超声场的作用下，借助超声波产生的力和热的综合效应，将纯金属、合金或混有微细陶瓷颗粒的金属基复合材料涂覆于陶瓷表面的工艺过程。本发明可降低目前常用金属化温度，所用极细颗粒均匀分散于金属层中时，可显著减小金属与陶瓷间连接区域的热应力，实现陶瓷与金属的牢固连接。同时本方法对陶瓷材料的种类并无限制，可在各类陶瓷工件的表面制备金属涂层，涂层厚度可调，且可以在金属涂层中添加相应的陶瓷微粒，以调节涂层与基体陶瓷间的热应力状态，提高涂层与基体陶瓷间的结合力。

具体实施方式

结合本发明方法的内容，提供以下实施例：

实施例1：

金属液：工业纯铝；陶瓷：氧化铝陶瓷，其中Al₂O₃含量95％。

在金属液槽中加入含有5％(体积分数)0.1微米氧化铝微粒的工业纯铝液，利用加热保温设备维持金属液在700℃，超声变幅杆的端面在液面下0.5mm。用专用夹具将待处理的陶瓷工件夹持住并置于金属液上方，将预加工面浸入金属液面以下0.1mm。超声变幅杆的端面和陶瓷工件的预加工面间的距离保持在0.4mm。超声频率为19kHz，变幅杆端面的声能密度为120W/cm²。处理时间为2min，加工完毕，在夹具的作用下通过旋转作用产生的离心力将陶瓷表面粘附的金属液与工件分离掉，转速100rpm。涂覆层厚度0.3mm，涂覆层为含有5％(体积分数)0.1微米氧化铝微粒的铝，金属层与陶瓷结合紧密，无缺陷。

实施例2：

金属液：工业纯铝；陶瓷：碳化硅陶瓷，其中碳化硅含量99.5％。

在金属液槽中加入工业纯铝液，利用加热保温设备维持金属液在700℃，超声变幅杆的端面在液面下3mm。用专用夹具将待处理的陶瓷工件夹持住并置于金属液上方，将预加工面浸入金属液面以下1.5mm。超声变幅杆的端面和陶瓷工件的预加工面间的距离保持在1.5mm。超声频率为22kHz，变幅杆端面的声能密度为120W/cm²。处理时间为0.5min，加工完毕，在夹具的作用下通过旋转作用产生的离心力将陶瓷表面粘附的金属液与工件分离掉，转速200rpm。涂覆层厚度0.1mm，涂覆层为纯铝，金属层与陶瓷结合紧密，无缺陷。

实施例3：

金属液：工业纯锌；陶瓷：氧化锆陶瓷，其中二氧化锆含量98.5％。

在金属液槽中加入含有5％(体积分数)10微米氧化锆微粒的工业纯锌液，利用加热保温设备维持金属液在520℃，超声变幅杆的端面在液面下2mm。用专用夹具将待处理的陶瓷工件夹持住并置于金属液上方，将预加工面浸入金属液面以下1mm。超声变幅杆的端面和陶瓷工件的预加工面间的距离保持在1mm。超声频率为20kHz，变幅杆端面的声能密度为150W/cm²。处理时间为3min，加工完毕，在夹具的作用下通过旋转作用产生的离心力将陶瓷表面粘附的金属液与工件分离掉，转速150rpm。涂覆层厚度0.2mm，涂覆层为含有5％(体积分数)10微米氧化锆微粒的锌，金属层与陶瓷结合紧密，无缺陷。

实施例4：

金属液：工业纯铝；陶瓷：氮化硅陶瓷，其中氮化硅含量98.5％。

在金属液槽中加入含有3％(体积分数)5微米氮化硅微粒的工业纯铝液，利用加热保温设备维持金属液在700℃，超声变幅杆的端面在液面下3mm。用专用夹具将待处理的陶瓷工件夹持住并置于金属液上方，将预加工面浸入金属液面以下0.1mm。超声变幅杆的端面和陶瓷工件的预加工面间的距离保持在2.9mm。超声频率为20kHz，变幅杆端面的声能密度为150W/cm²。处理时间为5min，加工完毕，在夹具的作用下通过旋转作用产生的离心力将陶瓷表面粘附的金属液与工件分离掉，转速250rpm。涂覆层厚度0.2mm，涂覆层为含有3％(体积分数)5微米氮化硅微粒的铝，金属层与陶瓷结合紧密，无缺陷。