一种用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料及采用该材料进行钎焊的工艺

摘要

本发明公开了一种用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料及采用该材料进行钎焊的工艺，该钎焊材料包括Ni、Cu、Ti、Co、Zr、Si及B；其钎焊工艺包括如下步骤：首先将各原料混合后制成钎焊材料粘涂于SiC陶瓷上，制成焊接试样，其次采用升温‑保温模式升至钎焊温度950℃～1100℃后，保温20～25min，以5～10℃/min的速率冷却至500～800℃，最后随炉冷却至室温，即可。优点为本发明的钎料的流动性好，对SiC陶瓷润湿性好，且与SiC陶瓷的结合性能佳，剪切强度高，同时该钎料中不包含Ag、Pd等贵金属元素，在提高焊接性能的基础上，降低了生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料及采用该材料进行钎焊的工艺。

背景技术

SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且其高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。但陶瓷材料的加工性能差、延展和韧性低，难以制作成大型复杂的构件，这对陶瓷材料的使用起到了一定的限制。为了解决这一问题，目前人们通常将SiC陶瓷制成简单部件，再通过SiC陶瓷自身或与其他材料进行连接间接组成复杂工件，以最大程度地发挥其性能的优势。

SiC陶瓷的连接已经研制出很多工艺方法，如扩散连接、机械连接、物理和化学气相沉积连接和钎焊等。在上述连接方法中，钎焊具有工艺简单、设备投资低以及适合生产要求等优点。现有的钎焊陶瓷钎料一般采用Ag、Cu、Ti钎料，但该钎料含银量高，成本高，并且最高工作温度偏低，有时不能满足更高工作温度的要求。因此，研制出一种新型的用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料具有重要的作用及意义。

国内对于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料也有一定研究。北京航空材料研究院的熊华平，毛唯，程耀永等人研究了几种钻基高温钎料对SiC陶瓷的润湿与界面结合，利用Co-基钎料成功连接SiC陶瓷，同时他们申请了中国公开号为CN101920410A、CN101920411A的专利，用其钎料在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可以达到110～170MPa，但发明的这两种钎料中含有贵金属Au及Pd的含量较高，从而导致成本增加，对实际生产缺乏适用性。北京有色金属研究总院粉末冶金与特殊材料研究所的张小勇和楚建新研究了三种CuAlSiTi系活性钎料对SiC陶瓷润湿性的影响，但并没有指出这三种钎料钎焊SiC陶瓷的强度。中国公开号为CN101890591A的发明专利公开了一种镍基高温钎料及其制备方法，能够解决现有镍基钎料与C/SiC复合材料的陶瓷基体的反应剧烈，导致C/SiC复合材料与镍基超高温合金的钎焊接头力学性能差的问题。但该钎料制备工艺复杂、不易操作，无法保证钎料成分的均匀性，影响接头性能。中国公开号为CN101653884A的发明专利公开了一种可用于C/SiC复合材料连接的高温钎料，但由于该钎料中应用的主要成分Ti和Ni的熔点均不超过1670℃，因此接头高温强度的保留率不高。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种流动性好，对SiC陶瓷润湿性高，且剪切强度高的用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料；

本发明的第二目的是提供采用该钎焊材料进行钎焊的工艺。

技术方案：本发明用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料，按重量百分比包括如下组分：Ni10～18％，Cu 30～36％，Ti 8～12％，Co 6～8％，Zr 18～22％，Si 5～9％，B 3～8％。

本发明在钎焊材料中添加元素Ni，其能够提高合金的高温性能，增强陶瓷表面的耐腐蚀性，但加入太多易使接头组织变脆，优选的，其重量百分比可为10～16％。

添加元素Cu，能够与Ni无限固溶，降低Ni的熔点，但加入量过多容易引起晶间腐蚀，优选的，其重量百分比可为30～33％。

添加元素Ti，其为一种活性元素，能够提高钎焊材料的流动性和塑性能力，降低钎缝中组织的弹性模量，缓解接头残余应力，提高接头强度，优选的，其重量百分比可为10～12％。

添加元素Co，能够在陶瓷表面富集，提高接头的结合强度，优选的，其重量百分比可为7～8％。

添加元素Zr，其为活性元素，该元素的加入能够提高钎料对陶瓷的润湿性，提高钎焊接头的高温强度，且在制备钎料时，Zr的加入有利于非晶相的析出，能够极大的提高合金的玻璃形成能力，优选的，其重量百分比可为20～22％。

添加元素Si、B，主要起到降低熔点的作用，其中，加入合金元素Si能够提高合金流动性，提高合金塑性和成形能力，但加入过量的Si易形成脆性化合物，使接头组织变脆，优选的，Si的重量百分比可为5～8％，B的重量百分比可为5～7％。

本发明采用用于SiC陶瓷钎焊的钎焊材料进行钎焊的工艺，包括如下步骤：首先按重量百分比将各原料混合后制成钎焊材料粘涂于经过表面处理的SiC陶瓷上，制成焊接试样，其次，将该焊接试样置于钎焊设备中，先以5～10℃/min的速率升温至300～400℃，保温15～20min，以5～10℃/min的速率升温至750～800℃，保温20～25min，再以10～15℃/min的速率继续升温至钎焊温度950℃～1100℃，保温20～25min，最后以5～10℃/min的速率冷却至500～800℃，最后随炉冷却至室温，即可。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为该钎料的流动性好，对SiC陶瓷润湿性高，且与SiC陶瓷的结合性能佳，剪切强度高；其次，该钎料中不包含Ag、Pd等贵金属元素，在提高焊接性能的基础上，降低了生产成本；同时配方中采用粒度不同的金属颗粒，小颗粒的金属颗粒能够填充大颗粒之间的间隙，使钎料更加致密；此外该钎料能够制成不同的形式，制成的膏状使用方便，适合在不规则的、小型的或几何形状复杂的零件上使用，制作成非晶态成分均匀，制作成金属布态柔韧性高，方便用于不同的场合，适用不同形状的陶瓷零件的钎焊。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

组分含量：Ni 14％，Cu 33％，Ti 10％，Co 7％，Zr 21％，Si 7％，B 8％，其中Ni、Cu、Ti粉末颗粒尺寸为：5～15μm，其余粉末颗粒尺寸为：30～45μm。

钎焊材料制作：将各种合金粉末按比例混合均匀，加入有机结合剂乙二醇制备成膏状的钎焊材料。

钎焊工艺：

(1)准备阶段：先对待钎焊的尺寸为20mm×10mm×3mm的SiC陶瓷表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，SiC陶瓷表面用金刚石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超声波清洗10min，将膏状的钎焊材料均匀地涂于SiC陶瓷表面；

(2)钎焊连接：将准备好的试样整体置于真空度不低于5×10^-3Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温15min，以5℃/min的速率升温至800℃，保温25min，再以5℃/min的速率继续升温至钎焊温度1050℃，保温20min，再以5℃/min的速率冷却至800℃，并随炉冷却至室温，取出试样即可。

试验结果：钎焊涂层成型良好，对涂层与基体的结合强度进行测试，剪切强度为136MPa。

实施例2

组分含量：Ni 13％，Cu 32％，Ti 12％，Co 8％，Zr 22％，Si 5％，B 8％，其中Ni、Cu、Ti粉末颗粒尺寸为：5～15μm，其余粉末颗粒尺寸为：30～45μm。

钎焊材料制作：将各种合金粉末按比例混合均匀，并加入有机环氧树脂粘结剂，利用自行研发的轧机装置(申请号为201510819372.1)制备出金属布状的钎焊材料。

钎焊工艺：

(1)准备阶段：先对待钎焊的尺寸为20mm×10mm×3mm的两块SiC陶瓷表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，SiC陶瓷表面用金刚石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超声波清洗15min；

(2)装配步骤：根据试样的尺寸裁剪对应的金属布钎焊材料，用钎焊胶将金属布钎焊材料粘于其中一块SiC陶瓷的上表面，再用钎焊胶粘上另一块SiC陶瓷，置于专门的夹具中；

(3)钎焊连接：将装配好的试样整体置于真空度不低于5×10^-3Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至400℃，保温20min，以5℃/min的速率升温至800℃，保温25min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1055℃，保温25min，再以5℃/min的速率冷却至800℃，最后随炉冷却至室温，取出试样。

试验结果：钎焊接头成型良好，对钎焊接头的结合强度进行测试，剪切强度为142MPa。

实施例3

组分含量：Ni 12％，Cu 30％，Ti 12％，Co 8％，Zr 22％，Si 8％，B 8％，其中Ni、Cu、Ti粉末颗粒尺寸为：5～15μm，其余粉末颗粒尺寸为：30～45μm。

钎焊材料制作：按成分质量百分比称取各种元素，利用高真空单辊甩带机制作成非晶态箔片状。

钎焊工艺：

(1)准备阶段：先对待钎焊的尺寸为20mm×10mm×3mm的两块SiC陶瓷表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，SiC陶瓷表面用金刚石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超声波清洗15min；

(2)装配步骤：根据试样的尺寸裁剪对应的非晶态钎焊材料，将非晶态的箔片状钎料置于两块陶瓷中间，置于专门的夹具中；

(3)钎焊连接：将装配好的试样整体置于真空度不低于5×10^-3Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温15min，以5℃/min的速率升温至800℃，保温20min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1025℃，保温25min，再以10℃/min的速率冷却至800℃，最后随炉冷却至室温，取出试样。

试验结果：钎焊接头成型良好，对钎焊接头的结合强度进行测试，剪切强度为150MPa。

实施例4

设计3组对比例，基本步骤与实施例3相同，不同之处在于原料含量不同，具体为：

对比例1组分含量：Ni 30％，Cu 32％，Co 7％，Zr 18％，Si 5％，B 8％；

对比例2的组分含量：Ni 27％，Cu 36％，Ti 12％，Co 8％，Si 9％，B 8％；

对比例3的组分含量：Ni 18％，Cu 33％，Ti 12％，Zr 22％，Si 7％，B 8％。

将实施例1-4制得的焊接接头进行性能检测，获得的试验结果如表1所示。

表1实施例1-4制得的焊接接头的性能对照表

由表1可知，实施例1-3制得的钎焊接头微观结构致密，均匀分布，连接界面明显，润湿角均为30℃以下，附着力在15.8～17.5N/mm²范围内，剪切强度在136～150MPa之间，由此可知本发明用于SiC陶瓷钎焊的材料具备良好的附着力和润湿性能，且钎焊接头结合强度高；而对比例1中Ni含量增加，Ti含量减少，Ti元素的主要作用是提高钎焊材料的流动性和塑性能力，增加接头强度，当钎料中其含量减为0时，钎焊接头的剪切强度降低，钎料对母材的润湿角增大，附着力减小；对比例2中，Zr元素的含量为0，同样会引起类似问题；对比例3中将Co元素的含量减为0，润湿角及附着力变化不明显，但接头的结合强度降低，这是由于Co对接头结合强度提高有促进作用。

实施例5

组分含量：Ni 14.5％，Cu 31.5％，Ti 11％，Co 7.5％，Zr 21％，Si 6.5％，B 8％，其中Ni、Cu、Ti粉末颗粒尺寸为：5～15μm，其余粉末颗粒尺寸为：30～45μm。

钎焊材料制作：将各种合金粉末按比例混合均匀，加入有机结合剂乙二醇制备成膏状的钎焊材料。

钎焊工艺：

(1)准备阶段：先对待钎焊的尺寸为20mm×10mm×3mm的SiC陶瓷表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，SiC陶瓷表面用金刚石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超声波清洗10min，将膏状的钎焊材料均匀地涂于SiC陶瓷表面；

(2)钎焊连接：将准备好的试样整体置于真空度不低于5×10^-3Pa的真空钎焊设备中，首先以5℃/min的速率升温至300℃，保温20min，以10℃/min的速率升温至750℃，保温25min，再以5℃/min的速率继续升温至钎焊温度950℃，保温25min，再以5℃/min的速率冷却至500℃，并随炉冷却至室温，取出试样。

试验结果：钎焊涂层成型良好，对涂层与基体的结合强度进行测试，剪切强度为138MPa。

实施例6

组分含量：Ni 14.5％，Cu 31.5％，Ti 11％，Co 7.5％，Zr 21％，Si 6.5％，B 8％，其中Ni、Cu、Ti粉末颗粒尺寸为：5～15μm，其余粉末颗粒尺寸为：30～45μm。

钎焊材料制作：将各种合金粉末按比例混合均匀，加入有机结合剂乙二醇制备成膏状的钎焊材料。

钎焊工艺：

(1)准备阶段：先对待钎焊的尺寸为20mm×10mm×3mm的SiC陶瓷表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，SiC陶瓷表面用金刚石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超声波清洗10min，将膏状的钎焊材料均匀地涂于SiC陶瓷表面；

(2)钎焊连接：将准备好的试样整体置于真空度不低于5×10^-3Pa的真空钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温15min，以5℃/min的速率升温至800℃，保温25min，再以5℃/min的速率继续升温至钎焊温度1100℃，保温25min，再以10℃/min的速率冷却至800℃，并随炉冷却至室温，取出试样。试验结果：钎焊涂层成型良好，对涂层与基体的结合强度进行测试，剪切强度为142MPa。

实施例7

设计7组实验，基本步骤与实施例6相同，不同之处在于组分含量，具体为：

1、Ni 10％，Cu 36％，Ti 12％，Co 8％，Zr 22％，Si 9％，B 3％；

2、Ni 18％，Cu 33％，Ti 12％，Co 6％，Zr 18％，Si 5％，B 8％；

3、Ni 15％，Cu 30％，Ti 8％，Co 8％，Zr 22％，Si 9％，B 8％；

4、Ni 16％，Cu 33％，Ti 10％，Co 8％，Zr 22％，Si 6％，B 5％；

5、Ni 16％，Cu 30％，Ti 12％，Co 7％，Zr 20％，Si 8％，B 7％；

6、Ni 8％，Cu 25％，Ti 5％，Co 30％，Zr 15％，Si 12％，B 5％；

7、Ni 20％，Cu 22％，Ti 15％，Co 3％，Zr 25％，Si 2％，B 13％。

将7组的钎料进行对SiC陶瓷进行钎焊，并对接头进行性能检测，获得的试验结果如表2所示。

表2实施例7钎料润湿性及钎焊接头性能对照表

由表2可知，本发明制得的钎焊接头微观结构致密，均匀分布，连接界面明显，具备良好的附着力和润湿性能，且钎焊接头结合强度高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。