[发明专利]一种采用难熔高熵合金中间层放电等离子扩散连接碳化硅陶瓷的方法

说明书

本发明公开了一种采用难熔高熵合金中间层放电等离子扩散连接碳化硅陶瓷的方法，它是以难熔高熵合金Ta_xHfZrTi（其中x=0.5­1，Ta(at.%)=14.2­25%，Hf、Zr和Ti三种元素具有等摩尔量）作为中间层材料，通过SPS技术对两块待焊SiC陶瓷母材进行固相扩散焊接，从而获得SiC陶瓷焊接接头。本发明所获得的SiC接头在界面形成了高强度的(Ta,Hf,Zr,Ti)C高熵陶瓷相，避免了单一难熔金属扩散连接SiC陶瓷生成热膨胀系数较大的脆性硅化物，从而缓和了SiC接头的热失配，提高了接头强度，接头最大的室温剪切强度高达326.2±9.9 MPa，中间层硬度高达2552.1±357.1 HV，具有较高的高温环境下的工程实用价值。

技术领域

本发明属于陶瓷材料的连接技术领域，具体涉及一种采用难熔高熵合金中间层放电等离子扩散连接碳化硅陶瓷的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)陶瓷作为重要的工程陶瓷，具有高强度、高熔点、抗氧化、抗辐照、抗热振、耐腐蚀等突出优点，可用作航空、航天、核能等高温环境领域的结构部件。但高硬度、不导电的SiC陶瓷机械加工难度大，再由于加工技术及其成本的制约，制备大尺寸或形状复杂的SiC陶瓷部件非常困难。因此，发展面向高温环境应用的可靠SiC连接技术，是推进SiC陶瓷在高温环境领域应用亟需解决的关键难题。

SiC陶瓷属于难连接材料。几十年来，国内外研究员进行了大量工艺探索，目前较为广泛采用的连接方法是活性金属钎焊和金属中间层固态扩散连接技术。活性金属钎焊通过在Ag基、Cu基等中低温金属钎料中加入Ti、Zr等活性元素，虽然有效解决了金属钎料在SiC陶瓷表面的润湿问题，但获得的SiC陶瓷接头使用温度和强度较低，限制了SiC陶瓷的高温应用。金属中间层固态扩散连接是金属中间层在高温高压的作用下塑性变形与SiC形成可靠接触，再通过界面原子扩散实现的SiC陶瓷连接，该连接方法获得的SiC接头通常具有高强度和耐高温的特点。难熔金属如：钛(Ti)、钼(Mo)、铌(Nb)、钨(W)、钽(Ta)等，因为具有与SiC相近的热膨胀系数，通常作为固态扩散连接SiC的金属中间层。在高温高压扩散连接过程中，SiC与难熔金属容易相互反应，在界面处形成碳化物、二元硅化物和三元硅化物。其中脆性的二元硅化物(如：Me₅Si₃等，Me：金属)和三元硅化物(如：Me₅Si₃C等，Me：金属)与SiC的热膨胀系数相差较大，是扩大接头热失配的主要有害相，从而导致接头强度的衰减。如何抑制SiC/金属界面形成具有较高热膨胀系数的脆性硅化物，避免接头残余应力过大，是获得高强度金属中间层固态扩散连接SiC接头和提高SiC连接件高温环境服役可靠性的关键，也是金属中间层固态扩散连接SiC面临的最大难题。近几年开发的难熔高熵合金，是由四种或四种以上难熔金属元素固溶而成的合金，在高温下具有良好的相稳定性和迟滞扩散效应。因此，本发明结合难熔高熵合金的优良高温特性以及Ta、Hf、Zr、Ti难熔金属可与C反应生成强化的(Ta,Hf,Zr,Ti)C高熵陶瓷相，提出一种新的金属中间层Ta_xHfZrTi扩散连接SiC的方法，适用于制造面向高温环境工程应用的SiC陶瓷部件。

发明内容

针对现有技术中单一难熔金属中间层扩散连接SiC陶瓷的方法中，存在的易形成高热膨胀系数的脆性硅化物、弱化接头强度和降低接头服役可靠性的技术问题，本发明提供了一种采用难熔高熵合金中间层放电等离子扩散连接碳化硅陶瓷的方法，该方法采用难熔高熵合金作为中间层材料，利用放电等离子烧结技术扩散连接SiC陶瓷，可以有效地抑制SiC接头中具有高热膨胀系数的脆性硅化物的形成，缓解接头残余应力，从而提高接头强度和服役可靠性，有利于制造面向高温环境应用的SiC陶瓷部件。

所述的一种采用难熔高熵合金中间层放电等离子扩散连接碳化硅陶瓷的方法，其特征在于是以难熔高熵合金Ta_xHfZrTi作为中间层材料，通过SPS技术对两块待焊SiC陶瓷母材进行固相扩散焊接，从而获得SiC陶瓷焊接接头。