[发明专利]一种金属/陶瓷层状结构复合材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术，具体为一种金属与陶瓷层状结构复合材料的制造方法，该复合材料适用于高耐腐蚀环境并要求较高力学性能领域。 

背景技术

陶瓷材料具有密度低、比强度高、耐高温以及高温下化学性质稳定等优点，因而在航空、航天、冶金和石化等领域得到广泛应用。但作为结构材料，陶瓷是脆性材料，对缺陷非常敏感，陶瓷固有的硬性和脆性使其难以加工与制造。而金属材料具有高的韧性、延展性和可加工性。如果将陶瓷材料与金属材料复合在一起, 就能成为理想的结构材料。陶瓷与金属的连接技术是当前新型材料领域的前沿和热点之一。研究和开发陶瓷和金属材料的连接是充分发挥陶瓷优良特性，推广其应用的有效途径。 

对于陶瓷与金属的连接技术，目前人们已经研究开发了各种各样的方法和工艺，如机械连接、无机胶粘接、摩擦焊、微波连接、自蔓延高温合成连接、过渡液相连接、扩散焊、钎焊等。其中研究最多，应用最广的是钎焊和扩散焊。钎焊利用陶瓷与金属母材之间的钎料在高温下熔化，其中的活性组元与陶瓷发生化学反应, 形成稳定的反应梯度层，从而将两种材料结合在一起。在钎料中添加表面活性元素Si , Mg 和Ti 等可使其润湿性得到明显改善。当前陶瓷与金属钎焊存在的问题是，二者的热膨胀系数相差悬殊，会引起界面残余应力，可能导致接头在使用过程中开裂；不能有效地用于大面积结合；钎料价格较高。固相压力扩散焊是在一定的压力下陶瓷与金属紧密接触，接触距离可以达到几埃到十几埃以内，并在界面处形成金属键或化学键。加一定温度，界面处的原子处于高度激活状态，扩散迁移明显，通过恢复、再结晶及晶界变化，可使界面形成牢固的冶金结合接头。固相扩散焊可满足高温应用的要求, 但工艺过程复杂, 对连接表面的加工和连接设备的要求高。高的连接温度和连接压力会增加残余应力, 导致构件的变形。陶瓷部分瞬间液相连接(Partial Transient Liquid Phase Bonding , 以下简称PTLP 连接)是为了解决陶瓷的活性钎焊和固相扩散连接中存在的上述问题，在金属瞬间液相连接( Transient Liquid Phase Bonding 简称TLP)以及用“中间扩散层”技术连接陶瓷的基础上提出的。由于陶瓷部分瞬间液相连接兼有活性钎焊和固相扩散连接的优点, 继Y Lino 之后, 许多研究者也开展了这方面的工作, 研究日趋深入。这种方法效率高，能耗低，在制造金属基、陶瓷基复合材料方面具有重要意义。其困难在于它们的热膨胀系数和弹性模量不匹配，在连接过程中界面不易润湿和残余热应力较大，产品易变形。 

虽然陶瓷与金属连接的层状结构复合材料取得了重大进展，但仍存在很多需要迫切解决的问题：一是陶瓷与金属的润湿性问题；二是应力的缓解或消除问题；三是工业化实施和应用问题：因为目前的连接方法只适合材料的局部或微观复合，不能把层状复合材料整体成型作为结构材料应用，不适用工业化实施和应用。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种金属/陶瓷层状结构复合材料的制造方法，该制造方法可以把陶瓷材料的高耐腐蚀性、耐磨性和稳定性等有效赋予在金属材料上，使所得陶瓷/金属复合材料具有良好的综合高性能；且工艺简单，所得材料成型尺寸没有限制，适用于工业化实施和实际应用。 

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种金属/陶瓷层状结构复合材料的制造方法，该制造方法采用以下工艺： 

（1）制备粘结合金：粘结合金3采用铝基合金，具体为Al-Zn-Fe-Ti合金，其质量百分比组成是Zn,5-40%；Fe,0.5-10%；Ti，2-20%；Al为余量；该粘结合金由高熔点相和低熔点相组成，在常温下为固相，而在使用温度下为固液两相，固相占60-80%；液相占40-20%；利用添加组成元素锌、钛和铁的含量，可调整粘结合金的熔点、界面反应相和相组成；粘结合金高熔点相的熔点为660-1200℃，调整组成元素Fe或/和Ti的含量，可调整高熔点相熔点的高低；低熔点相的熔点在380-460℃，调整组成元素Zn和Fe或Ti的含量，可调整低熔点相熔点的高低；

该粘结合金制备工艺为：在坩埚炉内将所述组分铝加热至660-880℃；然后投放其他组成元素，组成元素锌、钛和铁的含量根据粘结合金熔点的设计要求依据相图确定；投放时，先放所述含量的Zn,搅拌溶解后，再放入所述含量的Fe和Ti,边溶解，边搅拌，待全部溶解后即得；