[发明专利]一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法

说明书

一种ZrC‑SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，本发明涉及陶瓷和金属的连接领域，旨在解决金属/陶瓷接头残余热应力高、接头强度低、韧性差等问题。本发明方法：本发明采用商用泡沫Ni压缩制备高密度多孔中间层，利用Ti‑Ni接触反应形成的瞬时液相连接陶瓷和多孔中间层，与此同时，利用元素的高温互扩散，实现不锈钢和多孔中间层的固相冶金连接。采用本方法制备的接头抗剪强度比使用相同厚度的镍箔中间层提高了21％‑55％，接头断裂能提高了82％～121％，且接头的断裂模式由脆性断裂向韧性断裂转变。

技术领域

本发明属于陶瓷和金属的连接领域，特别涉及一种奥氏体不锈钢和ZrC-SiC复合陶瓷的连接方法。

背景技术

ZrC-SiC复合陶瓷具有高熔点、高硬度、高电导率/热导率和良好的化学稳定性，在超高温陶瓷领域备受关注，有望应用于极端化学和热环境，如航天航空、核能、电子工业等领域。但是，受陶瓷本征脆性和烧结工艺的限制，制备大尺寸、复杂结构的陶瓷组件价格高昂且工艺复杂。因此，工业中常需要将陶瓷与金属进行连接，制备具有特定性能的复合构件。奥氏体不锈钢具有高强度、高延展率和良好的抗腐蚀能力，是工业中应用最为广泛的结构材料之一。积极开发ZrC-SiC复合陶瓷与奥氏体不锈钢的连接技术对于推动其在工程领域的应用具有重要意义。

然而，奥氏体不锈钢的热膨胀系数约为ZrC-SiC陶瓷的3倍，焊接过程产生的较大残余应力会导致接头强度低、可靠性差。为缓解接头应力，通常采用软性中间层协调变形，调节应力分布。与传统金属箔片相比，泡沫金属具有更优异的塑性变形能力和更低的流变应力，可以更好的通过变形缓解接头应力。但是由于普通泡沫金属强度过低，不适宜直接作为焊接中间层。因此，开发出一种强度理想，变形能力强的泡沫金属是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决泡沫金属作为焊接中间层焊接ZrC-SiC复合陶瓷与奥氏体不锈钢过程中，存在力学性能差的问题。而提供了一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法。

本发明的一种ZrC-SiC复合陶瓷和奥氏体不锈钢的连接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、使用厚度为3～7.5mm、孔隙率为98.5％、孔洞直径为100-500μm的开孔泡沫Ni作为原始材料；将原始泡沫Ni置入丙酮中超声清洗15min，在空气中烘干；将烘干后的原始材料压至孔隙率为35～70％的泡沫Ni中间层；

二、使用含体积分数为10～30％SiC的ZS陶瓷作为陶瓷基体，使用400#、800#、1200#、2000#的金刚石磨盘逐级打磨待连接表面；使用奥氏体不锈钢作为金属基体，依次使用400#、800#、1200#、2000#、3000#的SiC砂纸逐级打磨待连接表面；使用厚度为10μm的Ti箔片作为中间层；将陶瓷基体、金属基体以及Ti箔片放入丙酮中超声清洗10min后，在空气中烘干备用；

三、将步骤一和二得到的基体和中间层材料按照奥氏体不锈钢/泡沫Ni中间层/Ti/ZS陶瓷的顺序组装待焊件，金属、陶瓷基体经打磨的表面分别与泡沫Ni中间层、Ti箔片相接触；将待焊件放入真空扩散焊炉中，施加压力0.5～1MPa；将炉内真空抽至5×10^-4-1×10^-3Pa后，以10℃/min的升温速率升至700℃，恒温5min，再以7℃/min升至连接温度960～1000℃保温60～300min；保温阶段结束后，以10℃/min降至400℃，最后随炉冷却至室温，即完成所述焊接过程。

本发明提出一种采用压缩泡沫镍和Ti箔作为中间层瞬时液相扩散连接ZrC-SiC陶瓷和奥氏体不锈钢的方法。通过Ti-Ni接触反应产生的瞬时液相连接陶瓷和泡沫镍中间层，通过固相扩散连接泡沫镍和不锈钢。该方法不仅利用泡沫镍中间层良好的塑性变形能力有效缓解接头应力，同时通过泡沫镍在焊接过程中的结构重构显著增加了接头强度。

本发明方法原理如下：

陶瓷和金属的连接中主要包括以下两个连接界面的形成：