一种用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC复合材料钎焊的铜钯基高温钎料

摘要

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于Si3N4陶瓷、Cf/SiC复合材料钎焊的铜钯基高温钎料，其特征在于，其成份及重量百分比为：Pd：10.0～59.0，Ni：0.0～9.0，Co：0.0～6.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.6，Cu余量。本发明钎料在1110℃～1250℃的钎焊温度下获得Cf/SiC陶瓷基复合材料连接接头，对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达120～170MPa；本发明钎料在1110℃～1250℃的钎焊温度下获得Si3N4陶瓷/Si3N4陶瓷连接接头，对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达260～360MPa。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于Si₃N₄陶瓷、C_f/SiC复合材料钎焊的铜钯基高温钎料。

背景技术

陶瓷、陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构陶瓷材料。但由于陶瓷材料的加工性能差、耐热冲击能力弱，以及制造尺寸大而且形状复杂的零件较为困难等缺点，通常需要与金属材料组成复合结构来应用，或者通过陶瓷自身的连接来实现复杂构件的制造。

国内外关于碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC)的连接研究，公开报道的有使用Ni基钎料钎焊C_f/SiC自身以及采用Ti箔-Cu箔叠层连接C_f/SiC与Nb合金的研究结果，其中Ni基高温钎料连接C_f/SiC自身接头室温四点弯曲强度只有58MPa左右(Qiaoying Tong，Laifei Cheng.“Liquid Infiltration Joining of 2D C/SiC Composite”.Science and Engineering of Composite Materials，2006，vol.13：p31-36；张勇.“C_f/SiC陶瓷复合材料与高温合金的高温钎焊研究”.博士学位论文，钢铁研究总院，2006年6月；Jiangtao Xiong，Jinglong Li，Fusheng Zhang and Weidong Huang.“Joining of 3D C/SiC Composite to Niobium Alloy”.Scripta Materialia，2006，vol.55：p151-154)。采用Ti箔-Cu箔叠层连接C_f/SiC，其接头耐热温度很难超过500℃.目前针对C_f/SiC复合材料尚缺乏适用的高温钎料。

在陶瓷或陶瓷基复合材料(如Si₃N₄陶瓷、SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷等)的钎焊连接中，较多地使用传统的Ag-Cu-Ti(A P Xian，Z Y Si.Journal of Materials Science.1992，27：1560；罔村久宣，梶浦宗次，秋塲真人.“炭素繊維/炭素複合材と銅合金との接合”.溶接学会論文集，1996，vol.14：p39-46；Jonas Kofi Boadi，Toyohiko Yano，Takayoshi Iseki.“Brazing of Pressureless-sintered SiC Using Ag-Cu-Ti Alloy”.Journal of Materials Science，22(1987)：p2431-2434；W.P.Weng，H.W.Wu，Y.H.Chai，T.H.Chuang.“InterfacialCharacteristics for Active Brazing of Alumina to Superalloys”，Journal of Advanced Materials，January 1997，p35-40)、Cu-Ti系活性钎料(翟阳，任家烈，庄丽君，曹余庆，孙李军.“用非晶态合金作中间层扩散连接Si₃N₄与40Cr钢的研究”，金属学报.1995，31(9)：B423-427；Hyoung Keun Lee，Jai Young Lee.“A study of the wetting，microstructure and bond strength in brazing SiC by Cu-X(X＝Ti，V，Nb，Cr)alloys”，Journal of Materials Science，1996，31，p4133-4140)等，虽然某些钎焊接头强度较高，但接头的高温性能差(工作温度一般不超过500℃)，从而制约了结构陶瓷高温性能的发挥。国内外最近十多年以来在致力于研究Si₃N₄陶瓷与金属连接用的新型高温钎料，但较多地设计以贵重金属Au、Pd、Pt为基的钎料成分(S Kang and H J Kim，Welding Journal，1995，74(9)：289-s；S D Peteves，M Paulasto，G Ceccone and V Stamos.Acta Mater.，1998，46(7)：2407；M Paulasto，G Ceccone，S D Peteves，R Voitovich and N Eustathopoulos.Ceramic Transactions，1997，77：91；RE Loehman.Key Engineering Materials，1999，161-163：657)。这些钎料存在价格昂贵的问题。

综上所述，目前国内外还缺乏适用于C_f/SiC复合材料钎焊的高温钎料，而对于Si₃N₄陶瓷、SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷等，较多地适用AgCuTi钎料，连接接头高温性能明显不足，新研究的几种金基等钎料的价格又很昂贵。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中存在的不足提供一种用于Si₃N₄陶瓷、C_f/SiC复合材料钎焊的铜钯基高温钎料。本发明的技术解决方案是，其成份及重量百分比为：Pd：10.0～59.0，Ni：0.0～9.0，Co：0.0～6.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.6，Cu余量。

其成份及重量百分比还可以为：Pd：15.0～55.0，Ni：1.0～9.0，Co：1.0～6.0，V：4.5～15.0，Si：0.1～2.6，B：0.0～2.6，Cu余量。

其成份及重量百分比还可以为：Pd：10.0～59.0，V：4.5～15.0，Cu余量。

本发明技术方案的优点是：本发明所述铜钯基高温钎料可以用来直接钎焊陶瓷、陶瓷基复合材料，本发明钎料对应的陶瓷、陶瓷基复合材料自身连接接头强度高而且高温(600℃～700℃)性能比较稳定，比如本发明钎料熔化温度与传统的系列镍基钎料大体处于同一水平，但对应C_f/SiC陶瓷基复合材料的接头室温三点弯曲强度从传统镍基钎料对应的58MPa提高至120～170MPa；相对于钎焊陶瓷用的传统AgCuTi钎料，本发明钎料的熔化温度提高了250℃～350℃，对应的Si₃N₄陶瓷(或Si₃N₄陶瓷基复合材料)其接头高温性能明显改善，连接接头甚至在传统AgCuTi钎料几乎熔化的800℃温度下仍维持接头室温强度的50％～60％。而且，本发明铜钯基钎料的成本大约是以贵重金属Au、Pd为基的钎料的成本的1/5～1/2。本发明钎料还可以用来连接相应的陶瓷(或陶瓷基复合材料)/金属(如高温合金等)组合接头。

具体实施方式

该种用于Si₃N₄陶瓷、C_f/SiC复合材料钎焊的铜钯基高温钎料，其成份及重量百分比为：Pd：10.0～59.0，Ni：0.0～9.0，Co：0.0～6.0，V：4.5～15.0，Si：0.0～2.6，B：0.0～2.6，Cu余量。

其成份及重量百分比还可以为：Pd：15.0～55.0，Ni：1.0～9.0，Co：1.0～6.0，V：4.5～15.0，Si：0.1～2.6，B：0.0～2.6，Cu余量。

其成份及重量百分比还可以为：Pd：10.0～59.0，V：4.5～15.0，Cu余量。

制备上述高温钎料的方法是，首先在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此合金原料熔炼成合金锭；然后使用下述方法之一制备钎料：

(1)采用氩气雾化制粉设备制备粉末状钎料；

(2)在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷箔带钎料；

(3)采用电火花线切割方法从合金锭上切出薄片，再将薄片正反面机械磨光。

(4)由合金锭通过多次室温轧制、热处理的工艺直接制成合金带材。使用上述高温钎料进行钎焊的方法是：

(1)装配，根据连接接头的要求进行陶瓷/陶瓷、或复合材料、复合材料、或陶瓷(陶瓷基复合材料)/金属的装配，在陶瓷/陶瓷的连接界面、或陶瓷/金属接头中陶瓷与相邻缓释层之间加入本发明粉末状钎料、急冷箔带钎料、或合金粉末状钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，或轧制而成的钎料合金带材；

(2)加热，焊件装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，保温后再随炉冷却至室温，或者气体保护感应加热，保温后冷却。

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

表1给出了本发明技术方案所述高温钎料的实施例及其每一个实施例中的成份及重量百分比组成。

上述实施例所述的高温钎料按如下工艺路线制备：

(1)选择纯度不低于99.0％的高纯Pd、Ni、V、Si、B、Co、Cu，其中B元素在有条件的情况下可以以Ni-B的形式添加，并按重量配比称量；

(2)在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此合金熔炼成合金锭。

(3)采用下述方法之一制备钎料：

A、采用氩气雾化制粉设备制备合金粉末状钎料；

B、在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷态箔带钎料。对于单辊法快速凝固过程，单辊需以1000～10000r/min的高速度旋转，钎料锭块熔化形成液态后冷却速率介于10³～10⁶K/s之间。

C、从合金锭上采用电火花线切割方法切出薄片再正反面机械磨光后使用。

D、由合金锭通过多次室温轧制、热处理的工艺直接制成合金带材。

本发明钎料也可以以合金块体或由高纯度元素按配比混合后直接使用。根据连接接头的要求进行陶瓷/陶瓷，或陶瓷(复合材料)/金属的装配，在陶瓷(复合材料)/陶瓷(复合材料)的连接界面、以及陶瓷(复合材料)/金属接头中陶瓷与相邻缓释层之间加入本发明急冷态箔带钎料、或合金粉末状钎料，或从合金锭上切出的钎料薄片，或钎料合金复合轧制带，装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，或气体保护的感应加热室中，按工艺要求保温后再冷却至室温。

采用表1所示的实施例1-45的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、钎料合金复合轧制带、急冷箔带、从钎料合金锭上切出钎料薄片、钎料合金带材使用，在1110℃～1250℃的钎焊温度下进行了C_f/SiC陶瓷基复合材料自身接头的连接，对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达120～170MPa，明显高于传统镍基钎料对应的C_f/SiC陶瓷基复合材料接头室温三点弯曲强度58MPa。而且本发明钎料高温性能好，其对应C_f/SiC接头在600℃测试条件下可维持接头室温强度的90％以上，在700℃测试条件下可维持接头室温强度的80％～90％，在800℃测试条件下可维持接头室温强度的70％～80％。

采用表1所示的实施例1-45的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、钎料合金复合轧制带、急冷箔带、从钎料合金锭上切出钎料薄片、钎料合金带材使用，在1110℃～1250℃的钎焊温度下获得Si₃N₄陶瓷/Si₃N₄陶瓷连接接头，对应钎焊接头的室温三点弯曲强度达260～360MPa，而且接头在600℃测试条件下可维持接头室温强度的80％～85％，在700℃测试条件下可维持接头室温强度的65％～75％，在800℃测试条件下可维持接头室温强度的50％～60％。