[发明专利]一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料多具有高真空气密性、高导热率、高耐磨性、低蒸汽压，以及良好的热稳定性和化学稳定性等性能。因此，陶瓷材料在真空电子、航空、航天等领域具有广泛应用。但陶瓷材料同样具有塑性差、冷加工性能差等缺点，一般不单独使用，而是常与金属材料组合在一起，以连接体的形式使用。

在陶瓷与金属封接过程中，需要解决的关键技术之一是封接应力的缓解。由于陶瓷与金属材料的物理化学性质相差较大，尤其是热膨胀系数相差较大，会直接导致两者连接应力很大，甚至造成连接失败。热膨胀系数介于被焊陶瓷与金属之间的过渡层是缓解封接应力的最直接、有效的方法，但当被焊陶瓷与金属热膨胀系数相差很大时，单层或双层过渡层已经不足以靠自身塑性变形消除封接应力对封接件性能的破坏作用。另外，过渡层使用太多本身也会给整个连接件造成性能上的损失。因此，制备一种热膨胀系数介于被焊陶瓷与金属之间，并且热膨胀系数呈梯度变化的合金材料对缓解陶瓷与金属封接应力，提高封接质量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一是为陶瓷与金属封接提供一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料(以下简称梯度过渡合金)。梯度过渡合金中热膨胀系数调节相的成分分布设计和相应的梯度过渡合金管材示意图如图1-a、图1-b所示，真空烧结后的实际成分分布如图2所示，梯度过渡合金热膨胀系数变化和相应的梯度过渡合金管材示意图如图3-a、图3-b所示。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料(梯度过渡合金材料)，包括基体材料组分和热膨胀系数调节相组分，所述基体材料组分是Cu、Ni、Cr、Mn、Co、Fe中的一种或几种的任意比例的混合；所述热膨胀系数调节相组分是W、Mo、Al₂O₃、SiC、Si纤维中的一种或几种的任意比例的混合；将梯度过渡合金至少分为两段，所述热膨胀系数调节相在合金每段中的成分分布呈梯度变化。

一种优选技术方案，其特征在于：所述热膨胀系数调节相在合金每段中的成分分布分别为90vol％、60vol％及25vol％或75vol％、60vol％及35vol％。

本发明的另一目的是为陶瓷与金属封接提供一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料的制备方法。首先，根据被焊陶瓷和金属的热膨胀系数大小及差距，设计梯度过渡合金基材组元、热膨胀系数调节相及热膨胀系数调节相在合金中的梯度分布。然后，用熔炼、气雾化工艺制取基材合金粉。同时，选用高纯、超细热膨胀系数调节相，按设计成分将其与合金基材粉体混合均匀。最后，通过模压整体成型、坯料真空烧结及后期热等静压致密化工艺完成梯度过渡合金制备。该工艺适于梯度过渡合金棒材及管材制备，制得的合金材料的热膨胀系数呈梯度变化，并且与被焊陶瓷和金属都具有较好的匹配性。该梯度过渡合金对缓解陶瓷与金属连接过程中产生的残余应力具有重要意义。

本发明采用粉末冶金工艺，通过控制热膨胀系数调节相在合金中成分分布的梯度变化，达到合金热膨胀系数的梯度变化。所制备的合金材料将具有如下特性：首先，合金本身的热膨胀系数呈梯度变化。其次，可以根据实际使用要求，设计该合金的基材和热膨胀系数调节相及其梯度变化的百分含量，从而该合金具有与被焊陶瓷和金属都匹配的热膨胀系数。该工艺适合制备梯度过渡合金棒材和管材。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种热膨胀系数呈梯度变化的合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)梯度过渡合金组分设计

根据被焊陶瓷与金属的热膨胀系数，设计组成梯度过渡合金的基体材料和热膨胀系数调节相，以及热膨胀系数调节相在合金中呈梯度变化的含量设计；

(2)梯度过渡合金基材制备

按步骤(1)成分设计结果，称取相应重量的组成梯度过渡合金基体的金属，在惰性气体保护下，将几种金属熔炼制成合金锭，然后用气雾化法将合金锭雾化制粉；

(3)热膨胀系数调节相准备

热膨胀系数调节相采用热膨胀系数较低的金属或陶瓷粉体，要求选用粒径分布窄、高纯、超细粉体；

(4)混料

按梯度过渡合金设计的各段成分配比，称取相应的过渡合金基材和热膨胀系数调节相，将各段混合粉分别用高能球磨机方式混合均匀；

(5)压型