[发明专利]一种钎焊Si3N4陶瓷的含硼钛基非晶钎料以及制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种钎焊Si₃N₄陶瓷的含硼钛基非晶钎料以及制备方法，具体涉及一种Ti-Zr-Ni-Cu-B高温活性非晶钎料以及制备方法，属于非晶态和冶金领域的钎焊材料。

背景技术：

Si₃N₄陶瓷是一种很有前途的工程结构陶瓷材料，其主要应用领域是热机、耐磨部件以及热交换器等，是制造新型陶瓷发动机的重要材料。对它的研究和开发已引起人们的高度关注。由于陶瓷的加工性能差、延性和冲击韧度低、耐热冲击能力低以及制造尺寸大而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通过陶瓷之间的连接来实现复杂零件的制造。因此，实现陶瓷之间或陶瓷与金属之间的可靠连接是高性能结构陶瓷得以广泛工业应用的重要前提和保证。

近20年来，人们已对多种连接方法进行了广泛深入的研究，扩散连接和活性钎焊是两种较为成功的连接方法。活性钎焊技术以其工艺简单、连接强度高、结果重复性好、接头尺寸及形状的适应性广、密封性能好、相对成本低、适合工业规模生产等一系列优点而成为金属/陶瓷连接的首选技术。

活性钎料的研发是发展陶瓷钎焊的一项重要内容。经验证的活性元素主要有Ti、Zr、Hf、Nb、V、Ta、Al、B、Si等元素，其中最有效的是Ti，其次为Zr和Hf。活性钎焊的最大缺点是高温性能差，这主要是由活性钎料所决定的。如Ag基、Sn基、Al基等活性钎料由于钎料熔点的限制，其接头的使用温度一般低于573K；这显然与Si₃N₄陶瓷的优良高温性能不相适应。而Cu基、Ni基钎料虽能提高钎料的高温性能，但由于钎料中需加入大量的活性元素Ti，使钎料脆性增大，室温强度降低，更关键的是无法制成箔片状使用，大大限制了其实际应用。因此，采用非晶制备技术开发实用高温活性钎料箔对于陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属钎焊领域具有及其重要的理论和应用价值。

发明内容：

技术问题：本发明的目的是为了解决目前钎焊Si₃N₄陶瓷的Ag-Cu-Ti钎料高温性能差和Cu-Ti钎料无法制备成型的问题，提供一种钎焊Si₃N₄陶瓷的含硼钛基非晶钎料以及制备方法。它采用快速凝固技术制备的Ti-Zr-Ni-Cu-B非晶钎料连接Si₃N₄陶瓷，通过调整钎料成分和钎焊工艺，大幅度提高Si₃N₄陶瓷接头的高温四点弯曲强度。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的钎焊Si₃N₄陶瓷的含硼钛基非晶钎料，其特征在于：该钎料的组分及含量(按质量百分比)为：Zr：12.0～28.0％；Ni：12.0～28.0％；Cu：12.0～28.0％；B：0.05～0.5％；其余为Ti。

上述非晶钎料是按下述步骤和工艺制备而成的：

(1)将镍板(Ni)，电解铜块(Cu)，海绵钛(Ti)，海绵锆(Zr)和铜硼合金等原材料粉碎后，在电子天平上按照上述配方称量原材料，Cu、Ti和Ni的纯度均在99.9％以上，Zr的纯度达到99.99％，铜硼合金中B的质量分数为13.45％；

(2)将按上述配方的配料置于WS-2型高真空Ar气氛保护非白耗电弧炉中，电弧炉共有5个铜坩埚，其中一个坩埚中放一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放四种同配方或不同配方的配料；

(3)熔炼前，炉内先抽真空至10^-2Pa，充氩气洗炉3-4次后，抽真空至10^-2Pa，再次充氩气至-0.06MPa；

(4)正式熔炼前，反复熔炼一块纯Ti试样，以进一步去除气氛中残留的氧；

(5)熔炼试样时，为了使铸态合金均匀，水冷铜坩埚内的样品在电磁搅拌作用下反复熔炼4-5次，并使用反倒拔棍翻转试样；

(6)电弧熔炼后，对样品进行秤重，发现样品的失重在0.1％以内，可以认为合金实际成分与名义成分基本一致，熔炼后的试样即是制备非晶钎料的母合金；

(7)将母合金粉碎后，装入HVDS-II高真空单辊甩带机的石英玻璃管内。石英管喷嘴呈长方形，其长度为a＝6-8mm；宽度b＝0.5-1mm；

(8)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整成b_n＝0.2-0.5mm，以保证喷射在铜辊上的液体是平板流，而形成稳定流状态；