石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连接方法

摘要

本发明公开了石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连接方法，包括步骤：表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍；制备中间层合金：将含微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金制备成一定厚度的箔片；接头装配间隙设计；液相扩散连接：将石英复合陶瓷材料、中间层合金、铁镍合金通过工装装配后放入真空炉中，充氮气保护，在380℃～550℃下保温15～60min后随炉降温；本发明生产出的石英复合陶瓷与铁镍合金的连接接头稳定，连接强度高，耐高温，尤其适用于大尺寸石英复合陶瓷材料结构件与铁镍合金材料的连接。

说明书

技术领域

本发明涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种石英复合陶瓷与铁镍 合金的液相扩散连接方法。

背景技术

随着军事技术的不断发展进步，全程机动、超音速飞行和精确制导已经 成为战术弹道导弹武器的发展方向。传统的树脂基防隔热材料以粘接为主的 连接方式已经无法满足其恶劣的工作环境要求，新型陶瓷基复合材料及其连 接技术成为突破这一关键技术必须解决的技术难题。

目前主要采用机械连接、粘接、钎焊或扩散焊的方法。机械连接主要使 用螺栓进行固定，存在的最大问题是材料固定位置的受力环境不好，陶瓷开 孔处存在应力集中，易造成破裂；粘接主要采用有机胶粘剂，在高温下接头 强度会明显下降；传统钎焊连接技术由于部分器件结构复杂，放置钎料困难， 并且圆角尺寸不易控制，无法完全满足器件要求；扩散焊需要精确控制压力， 连接效率低，并且小变形率时无法实现大面积焊合。

液相扩散连接是在母材间加入熔点低于母材的中间层，加热至中间层熔 点与母材熔点之间，使中间层熔化或与母材发生共晶反应，在连接界面上形 成一定数量的液相，中间层中降熔元素迅速向母材扩散，使得结合界面化学 成分明显改变，熔点升高从而实现等温凝固，经过等温凝固、固相成分均匀 化，最后得到与母材化学成分和组织均匀一致的接头并获得连续的接合面组 织，与传统连接技术相比，液相扩散连接能在连接件之间生成高温稳定的化 合物中间层，其具有可靠性高，连接强度高，使用温度高，可减轻连接部位 重量等优点，因此通过液相扩散连接方法来解决陶瓷基复合材料构件与金属 部件的有效连接，可以极大的推动陶瓷基复合材料构件的实际应用。

发明内容

本发明的目的，在于克服上述不足，提供一种可靠性高、连接强度高的 石英复合陶瓷材料与铁镍合金的液相扩散连接的方法。

为实现上述目的，本发明的一种石英复合陶瓷与铁镍合金的液相扩散连 接方法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍；

2)制备中间层合金：将含微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金制 备成箔片，所述中间层合金中，Au含量75％～90％，Ge含量7％～22％，Ni 含量1％～1.5％，Ag含量0.5％～1％，Cu含量0.5％～1％；

3)接头装配间隙设计：石英复合陶瓷与铁镍合金连接处的装配间隙 d＝d₁+d₂，其中d₁为中间层合金的厚度，d₂为石英复合陶瓷与铁镍合金连接处 在加热时产生的膨胀间隙；

4)液相扩散连接：将石英复合陶瓷材料、中间层合金、铁镍合金通过工 装装配后放入真空炉中，充氮气保护，在380℃～550℃下保温15～60min后 随炉降温。

进一步地，所述步骤1)中，化学镀镍工艺包括除油、粗化、敏化、活化、 还原及施镀六个步骤。

进一步地，所述步骤3)中，首先将石英复合陶瓷制成内径为L₁的石英 复合陶瓷环，然后根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计算出需要制 成铁镍合金环的外径L₂，从而装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片 的厚度d₁＝d/2，膨胀间隙d₂＝d/2；

其中，L₁为石英复合陶瓷环在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材料 在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度，L₂为铁 镍合金环在温度为t₁时的外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨胀系 数。

更进一步地，所述步骤4)中，装配的具体步骤为：首先在石墨环工装上 套入外径为L₂的铁镍合金环，然后在铁镍合金环外表面套入厚度为d/2的中间 层合金箔片，最后在中间层合金箔片外表面套入内径为L₁的石英复合陶瓷环， 装配完成后放入真空炉中。

优选地，所述步骤4)中，充氮气的流量为15～25L/min，炉温设定为 450℃，保温时间为25min。

本发明的石英复合陶瓷与铁镍合金液相扩散连接方法，通过对石英复合 陶瓷材料表面化学镀镍，解决了石英复合陶瓷与中间层合金结合力差的问题； Au-Ge基中间层合金降低了连接温度，有效地降低了连接过程中低线膨胀系 数的石英复合陶瓷与高线膨胀系数的铁镍合金之间的热应力；本发明生产出 的石英复合陶瓷与铁镍合金的连接接头稳定，连接强度高，耐高温，尤其适 用于大尺寸石英复合陶瓷材料结构件与铁镍合金材料的连接。

因此与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)适用于连接处使用温度要求高的石英复合陶瓷与铁镍合金之间的连 接；

(2)连接强度比胶黏剂粘接强度高，特别适合大尺寸构件之间的连接；

(3)连接接头质量稳定可靠，环境适应性强。

附图说明

图1为石英复合陶瓷环与铁镍合金环液相扩散连接结构示意图；

图中，石墨环工装1，铁镍合金环2，中间层合金箔片3，石英复合陶瓷 环4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图所示，本实施例选用石英复合陶瓷材料制备成石英复合陶瓷环4，选 用铁镍合金材料制备成铁镍合金环2。

实施例1：

本实施例1选用的石英复合陶瓷环4与铁镍合金环2的液相扩散连接方 法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍，化学镀镍工艺包括除油、粗化、 敏化、活化、还原及施镀六个步骤；

2)中间层合金箔片3：制备微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金 环3厚度为d/2，其中，Au含量82％，Ge含量15％，Ni含量1.5％，Ag含 量0.5％，Cu含量1％，d为装配间隙；

3)接头装配间隙设计：根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计 算出：装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片3的厚度d₁＝d/2，膨胀 间隙d₂＝d/2；

其中L₁为石英复合陶瓷环4在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材 料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度；L₂为铁镍合金环2在温度为t₁时外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨 胀系数，d₁为中间层合金箔片3的厚度，d₂为石英复合陶瓷环4与铁镍合金环 2连接处在加热时产生的膨胀间隙；

在本实施例中石英复合陶瓷环4内径为189mm，液相扩散连接温度t₂为 450℃，t₁为室温20℃，然后查表α₁＝0.33×10^-6℃，α₂＝5.34×10^-6℃，将数值带 入上式中，计算得铁镍合金环2在起始温度20℃时的外径为L₂＝188.6mm，因 此装配间隙d＝(L₁-L₂)/2＝0.2mm，取d/2＝0.1mm为中间层合金箔片3的厚 度，剩余0.1mm为膨胀间隙。

4)液相扩散连接：首先在石墨环工装1上套入外径为188.6mm的铁镍合 金环2，然后在铁镍合金环2外表面套入厚度为0.1mm的中间层合金箔片3， 最后在中间层合金箔片3外表面套入石英复合陶瓷环4，装配完成后放入真空 炉中，充氮气保护，氮气流量15～25L/min，炉温设定为450℃，保温25min 后随炉降温。

实施例2：

本实施例2选用的石英复合陶瓷环4与铁镍合金环2的液相扩散连接方 法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍，化学镀镍工艺包括除油、粗化、 敏化、活化、还原及施镀六个步骤；

2)中间层合金箔片3：制备微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金 环3厚度为d/2，其中，Au含量75％，Ge含量22％，Ni含量1.5％，Ag含 量1％，Cu含量0.5％，d为装配间隙；

3)接头装配间隙设计：根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计 算出：装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片3的厚度d₁＝d/2，膨胀 间隙d₂＝d/2；

其中L₁为石英复合陶瓷环4在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材 料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度；L₂为铁镍合金环2在温度为t₁时外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨 胀系数，d₁为中间层合金箔片3的厚度，d₂为石英复合陶瓷环4与铁镍合金环 2连接处在加热时产生的膨胀间隙；

在本实施例中石英复合陶瓷环4内径为189mm，液相扩散连接温度t₂为 380℃，t₁为室温20℃，然后查表α₁＝0.33×10^-6℃，α₂＝5.34×10^-6℃，将,数值带 入上式中，计算得铁镍合金环2在起始温度20℃时的外径为L₂＝188.7mm，因 此装配间隙d＝(L₁-L₂)/2＝0.15mm，取d/2＝0.075mm为中间层合金箔片3的 厚度，剩余0.075mm为膨胀间隙。

4)液相扩散连接：首先在石墨环工装1上套入外径为188.7mm的铁镍合 金环2，然后在铁镍合金环2外表面套入厚度为0.1mm的中间层合金箔片3， 最后在中间层合金箔片3外表面套入石英复合陶瓷环4，装配完成后放入真空 炉中，充氮气保护，氮气流量15～25L/min，炉温设定为380℃，保温15min 后随炉降温。

实施例3：

本实施例3选用的石英复合陶瓷环4与铁镍合金环2的液相扩散连接方 法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍，化学镀镍工艺包括除油、粗化、 敏化、活化、还原及施镀六个步骤；

2)中间层合金箔片3：制备微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金 环3厚度为d/2，其中，Au含量90％，Ge含量7％，Ni含量1％，Ag含量 1％，Cu含量1％，d为装配间隙；

3)接头装配间隙设计：根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计 算出：装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片3的厚度d₁＝d/2，膨胀 间隙d₂＝d/2；

其中L₁为石英复合陶瓷环4在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材 料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度；L₂为铁镍合金环2在温度为t₁时外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨 胀系数，d₁为中间层合金箔片3的厚度，d₂为石英复合陶瓷环4与铁镍合金环 2连接处在加热时产生的膨胀间隙；

在本实施例中石英复合陶瓷环4内径为189mm，液相扩散连接温度t₂为 380℃，t₁为室温20℃，然后查表α₁＝0.33×10^-6℃，α₂＝5.34×10^-6℃，将,数值带 入上式中，计算得铁镍合金环2在起始温度20℃时的外径为L₂＝188.7mm，因 此装配间隙d＝(L₁-L₂)/2＝0.15mm，取d/2＝0.075mm为中间层合金箔片3的 厚度，剩余0.075mm为膨胀间隙。

4)液相扩散连接：首先在石墨环工装1上套入外径为188.7mm的铁镍合 金环2，然后在铁镍合金环2外表面套入厚度为0.1mm的中间层合金箔片3， 最后在中间层合金箔片3外表面套入石英复合陶瓷环4，装配完成后放入真空 炉中，充氮气保护，氮气流量15～25L/min，炉温设定为380℃，保温60min 后随炉降温。

实施例4：

本实施例4选用的石英复合陶瓷环4与铁镍合金环2的液相扩散连接方 法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍，化学镀镍工艺包括除油、粗化、 敏化、活化、还原及施镀六个步骤；

2)中间层合金箔片3：制备微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金 环3厚度为d/2，其中，Au含量75％，Ge含量22％，Ni含量1.5％，Ag含 量1％，Cu含量0.5％，d为装配间隙；

3)接头装配间隙设计：根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计 算出：装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片3的厚度d₁＝d/2，膨胀 间隙d₂＝d/2；

其中L₁为石英复合陶瓷环4在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材 料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度；L₂为铁镍合金环2在温度为t₁时外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨 胀系数，d₁为中间层合金箔片3的厚度，d₂为石英复合陶瓷环4与铁镍合金环 2连接处在加热时产生的膨胀间隙；

在本实施例中石英复合陶瓷环4内径为189mm，液相扩散连接温度t₂为 550℃，t₁为室温20℃，然后查表α₁＝0.33×10^-6℃，α₂＝6.2×10^-6℃，将,数值带入 上式中，计算得铁镍合金环2在起始温度20℃时的外径为L₂＝188.4mm，因此 装配间隙d＝(L₁-L₂)/2＝0.3mm，取d/2＝0.15mm为中间层合金箔片3的厚度， 剩余0.15mm为膨胀间隙。

4)液相扩散连接：首先在石墨环工装1上套入外径为188.4mm的铁镍合 金环2，然后在铁镍合金环2外表面套入厚度为0.1mm的中间层合金箔片3， 最后在中间层合金箔片3外表面套入石英复合陶瓷环4，装配完成后放入真空 炉中，充氮气保护，氮气流量15～25L/min，炉温设定为550℃，保温15min 后随炉降温。

实施例5：

本实施例5选用的石英复合陶瓷环4与铁镍合金环2的液相扩散连接方 法，包括以下步骤：

1)表面清理：采用丙酮对铁镍合金的连接表面进行清理；采用化学镀镍 工艺对石英复合陶瓷的连接表面进行镀镍，化学镀镍工艺包括除油、粗化、 敏化、活化、还原及施镀六个步骤；

2)中间层合金箔片3：制备微量Ni、Ag、Cu元素的Au-Ge中间层合金 环3厚度为d/2，其中，Au含量90％，Ge含量7％，Ni含量1％，Ag含量 1％，Cu含量1％，d为装配间隙；

3)接头装配间隙设计：根据公式L₁+α₁·L₁(t₂-t₁)＝L₂+α₂·L₂(t₂-t₁)，计 算出：装配间隙d＝(L₁-L₂)/2，制备中间层合金箔片3的厚度d₁＝d/2，膨胀 间隙d₂＝d/2；

其中L₁为石英复合陶瓷环4在温度为t₁时的内径，α₁为石英复合陶瓷材 料在温度区间t₁～t₂线膨胀系数，t₁为初始温度，t₂为液相扩散连接温度；L₂为铁镍合金环2在温度为t₁时外径，α₂为铁镍合金材料在温度区间t₁～t₂线膨 胀系数，d₁为中间层合金箔片3的厚度，d₂为石英复合陶瓷环4与铁镍合金环 2连接处在加热时产生的膨胀间隙；

在本实施例中石英复合陶瓷环4内径为189mm，液相扩散连接温度t₂为 550℃，t₁为室温20℃，然后查表α₁＝0.33×10^-6℃，α₂＝6.2×10^-6℃，将,数值带入 上式中，计算得铁镍合金环2在起始温度20℃时的外径为L₂＝188.4mm，因此 装配间隙d＝(L₁-L₂)/2＝0.3mm，取d/2＝0.15mm为中间层合金箔片3的厚度， 剩余0.15mm为膨胀间隙。

4)液相扩散连接：首先在石墨环工装1上套入外径为188.4mm的铁镍合 金环2，然后在铁镍合金环2外表面套入厚度为0.1mm的中间层合金箔片3， 最后在中间层合金箔片3外表面套入石英复合陶瓷环4，装配完成后放入真空 炉中，充氮气保护，氮气流量15～25L/min，炉温设定为550℃，保温60min 后随炉降温。

实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制备的石英复合陶 瓷环4与铁镍合金环2连接件通过超声检测连接部位，脱焊率小于5％；对连 接件进行了温度冲击试验，将连接件从250℃环境中突然变换到-20℃的环境 中，连接接头均未发生破坏。

各实施例连接件拉剪强度性能指标见表1至表5，其生产的连接件抗剪强 度高，耐高温，测试后，连接层均未破坏，连接接头稳定，破坏处均位于石 英复合陶瓷环4本体上，并且在这五个实施例中，实施例1的条件生产出的 连接件性能最佳。

表1 实施例1连接件性能指标(450℃，25min)

表2 实施例2连接件性能指标(380℃，15min)

表3 实施例3连接件性能指标(380℃，60min)

表4 实施例4连接件性能指标(550℃，15min)

表5 实施例5连接件性能指标(550℃，60min)