黏结不同的陶瓷组件制造技术

本发明专利技术的名称是黏结不同的陶瓷组件。提供用于黏结具有不同热膨胀系数的材料的黏合剂组合物和方法。使用助熔材料、低助熔材料和填充材料形成黏合剂，其中填充材料包括来自被黏结在一起的两个组件的至少一个的颗粒。增稠剂也可以用作黏合剂组成的部分以帮助施加黏合剂并且建立期望的黏结厚度。使用公开的黏合剂形成高强度黏结的方法不需要使用中间层或使用可能会损坏被黏结在一起的组件的一个或二者的高固化温度。

【技术实现步骤摘要】

此公开一般地涉及用于产生黏结以将不同的陶瓷组件接合在一起的黏合剂组合物和方法。
技术介绍
众所周知陶瓷材料的优异的机械性能以及在高温下的稳定性并且已经在许多领域广泛地用作理想的高温结构材料，包括在航空领域。在许多产品和组件中需要不同材料之间的永久黏结以形成真空密封。在武器系统，以及更具体地导弹飞行系统的制造中发现特别严格的要求。然而，虽然这些陶瓷材料展现期望的性能，但是它们也可以展现脆性，其可能限制它们在制造结构，尤其那些具有大尺寸和复杂形状的结构中的应用。因而，陶瓷组件以及尤其不同的陶瓷组件的接合可能存在挑战。传统的接合或黏结技术，像机械连接、扩散黏结和钎焊，用于陶瓷与陶瓷连接，然而，这些已知技术的每一个都具有缺点。在其中两种材料具有不同的热膨胀系数的情况下，温度波动可引起断裂或永久变形，其或者导致两种不同的材料分开或者相对彼此位置偏移。温度改变可以反映从部件黏结的处理温度冷却或者从在含有黏结组件的产品的使用期限期间的温度循环冷却。已经包括了避免黏结不同的陶瓷组件的挑战的尝试，试图选择材料以便最小化不同的热膨胀系数(CTE)的失配，在最低的可能温度下进行黏结以避免在冷却期间可被锁定的剩余力，最小化黏结区域，使用将吸收一些热失配的柔性层，合并多层黏结系统，其中每层提供失配的CTE的逐步改变，以及甚至产品设计改变，以试图将黏结区域放置在接合部件的最小相对移动的位置。虽然黏结陶瓷组件的已知方法存在有限的成功，在黏结不同的陶瓷组件，尤其是那些有不同CTE的组件，仍然存在挑战。例如，已知的黏结方法可严重限制可被结合的材料，使用低于生产的部件经受的热循环温度的固化温度，由于最小的黏结区域形成低黏结强度，由于热循环导致黏结层的偏移，并且涉及多层黏结技术和/或设计改变的高成本。因此，存在对于改进的黏合剂组合物和黏结方法的需要，其避免或最小化与已知的黏结技术相关的问题并且提供成本效益的方案以黏结不同的陶瓷组件。
技术实现思路
此公开提供黏合剂组合物和方法，该方法使用以下公开的黏合剂组合物黏结具有不同热膨胀系数的陶瓷组件。根据本公开的黏结将允许具有不同CTE的陶瓷组件在材料之间形成长期持久的黏结同时克服当前方法的上述问题。公开的黏合剂和黏结方法也将允许在具有不同CTE的陶瓷组件之间形成真空密封。一种公开的黏合剂组合物，其用于将包括具有第一热膨胀系数的陶瓷的第一组件与具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二陶瓷组件黏结，该粘合剂组合物含有颗粒、助熔剂(fluxingagent)和低助熔材料(lowfluxmaterial)，所述颗粒具有与第一陶瓷组件相同的化学组成。黏合剂特征在于，施加热至与第一和第二组件的黏结表面接触的黏合剂层导致黏结表面的化学组成改变，导致在第一和第二组件之间形成黏结。黏合剂也可以包括水和增稠剂以帮助施加黏合剂至一个或多个黏结表面并且在第一和第二组件之间达到期望的所得黏结厚度。接合具有不同热膨胀系数的陶瓷材料的方法包括以下步骤：提供具有第一黏结表面的第一组件和具有第二黏结表面的包括陶瓷的第二组件，将黏合剂施加至第一和第二黏结表面的一个或二者以形成黏结层，其中黏合剂包括颗粒、助熔剂和低助熔材料，所述颗粒具有与第一或第二组件的一个相同的组成。一旦施加黏合剂，第一和第二黏结表面用黏结层接合并且在垂直于黏合剂层的方向施加压力至第一和第二组件的一个或二者，形成粘附的复合材料。将大约300°F最大温度的初始热施加在接合的粘附复合材料上以从黏合剂混合物驱除任何水分和/或其他挥发组分，同时建立足够的生坯强度以保持接合的组件彼此粘附。最终加热步骤用于导致黏合剂以及至少一个基底的化学组成改变。通过步阶温度曲线完成粘附的复合材料的最终加热，该曲线在大约450°F开始，至少30分钟，并且在最低大约2,000°F结束，为30分钟。方法也可以包括黏合剂配制步骤，其中将水、化学改性的纤维素增稠剂、偏硼酸锂、以及氧化锆、以及具有与第一组件相同的组成的颗粒混合，形成均匀的混合物。已经讨论的特征、功能和优点在许多实施方式中可以单独实现或者可以在其他的实施方式中组合，参考以下的描述和附图可以看出其进一步的细节。附图说明从以下呈现的更详细的描述和相应的附图可以更全面地理解本公开，附图仅以图解的方式呈现，并且因而，不是本公开的限制，并且其中：图1是此公开黏合剂的示意图，在与第一组件的黏结表面接触之前其被作为层施加在第二组件的黏结表面上；图2是图1的黏结组件的示意图，其显示至少一个组件的黏结表面化学组成改变；图3是从黏结基底的ESCA分析获得的数据的图示。具体实施方式接合具有不同热膨胀系数(CTE)的陶瓷材料的两个组件开始于了解每种组件的化学组成。图1示例性地图解了第一陶瓷组件10将被接合至第二陶瓷组件14。陶瓷组件可以包括传统的陶瓷材料，其被定义为通过加热作用和随后的冷却制备的无机、非金属固体。这些陶瓷材料可以具有晶体或部分晶体结构，或者可以是非晶型的(例如，玻璃)。如本文所使用的，术语陶瓷也可以包括陶瓷基质复合材料(CMC)，其是复合材料的子组以及专业陶瓷的子组。它们由嵌入陶瓷基质的陶瓷纤维组成，因而形成陶瓷纤维增强的陶瓷(CFRC)材料。基质和纤维可以由任意的陶瓷材料组成，由此碳和碳纤维也可以被认为是陶瓷材料。金属基质陶瓷(MMC)也包括在术语陶瓷中，其有时被称为“金属陶瓷”，其通常包括大约60％金属合金(铝、镁和/或钛)以及40％传统的陶瓷(通常为Al2O3)。这些MMC的特征在于：它们是无孔的、可机械加工的并且可以承受通常传统的陶瓷不能承受的高温。图1中图解的两个陶瓷组件10和14可以分别包括MMC，例如含有碳化硅晶须的氧化铝，以及CMC，例如玻璃涂布的CMC。例如，玻璃涂布的陶瓷组件14可以包括含有SiO2、CaO和Al2O3的专业玻璃。一种这样的玻璃是由Ceradyne，Inc制造并销售的VIOX2936。每个陶瓷组件10和14也具有黏结表面12和16。这些黏结表面通常不进行表面处理而按接收时黏结。在此公开的黏合剂和黏结方法的一个优点是不需要包括夹在两个陶瓷复合材料之间的材料固体片的中间层。仅需要均匀的黏合剂。可以将黏合剂层18施加至黏结表面12或16，或者施加至二者。然而，首先，通过以具有与陶瓷组件12或14的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种黏合剂，其用于将包括具有第一热膨胀系数的陶瓷的第一组件与包括具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的陶瓷的第二组件黏结在一起，所述黏合剂包括，a)具有与所述第一组件相同的化学组成的颗粒；b)助熔剂；和c)低助熔材料，所述黏合剂特征在于施加热至与所述第一和第二组件的黏结表面接触的所述黏合剂的层导致至少一个所述黏结表面的化学组成改变，导致在所述第一和第二组件之间的形成的黏结。

【技术特征摘要】
2014.12.30 US 14/585,4101.一种黏合剂，其用于将包括具有第一热膨胀系数的陶瓷的第
一组件与包括具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的陶
瓷的第二组件黏结在一起，所述黏合剂包括，
a)具有与所述第一组件相同的化学组成的颗粒；
b)助熔剂；和
c)低助熔材料，
所述黏合剂特征在于施加热至与所述第一和第二组件的黏结表面接触
的所述黏合剂的层导致至少一个所述黏结表面的化学组成改变，导致
在所述第一和第二组件之间的形成的黏结。
2.权利要求1所述的黏合剂，其中所述助熔剂包括偏硼酸锂。
3.权利要求1所述的黏合剂，其中所述低助熔材料包括氧化锆。
4.权利要求1所述的黏合剂，进一步包括水和增稠剂。
5.权利要求4所述的黏合剂，其中所述增稠剂进一步包括化学
改性的纤维素。
6.权利要求1所述的黏合剂，其中所述颗粒进一步包括具有与
所述第二组件相同的化学组成的颗粒。
7.权利要求1所述的黏合剂，其中在所述第一和第二组件之间
的所述形成的黏结在所述第一和第二组件之间建立热膨胀系数的过渡
区域。
8.权利要求1-7任意一项所述的黏合剂，其中所述黏合剂的所
述颗粒的重量百分比由所述第一组件的热膨胀系数与所述第二组件的
热膨胀系数之间的差异确定。
9.一种接合陶瓷材料的方法，其包括以下步骤：
(a)施加黏合剂至第一陶瓷组件的第一黏结表面和第二陶瓷组
件的第二黏结表面的一个或二者，以形成黏结层，其中所述第一陶瓷
组件具有与所述第二陶瓷组件的热膨胀系数不同的热膨胀系数，其中
所述黏合剂包括，
i)具有与所述第一或第二组件的一个相同的组成的颗粒；
ii)助熔剂；和
iii)低助熔材料；
(b)将所述第一和第二黏结表面用所述黏结层接合；
(c)在垂直于所述黏合剂层的方向上施加压力至所述第一和第二
组件的一个或二者以形成粘附的复合材料；
(d)加热所述粘附的复合材料以在所述第一和第二组件之间形成
黏结，其中在加热期间所述黏合剂层导致所述第一和第二黏结表面的
至少一个的化学组成改变。
10.权利要求9所述的方法，其中将所述粘附的复合材料加热至
至少大约2,000°F的温度并且保持在所述温度至少大约30分钟。
11.权利要求9所述的方法，其中所述黏合剂通过将水、化学改
性的纤维素增稠剂、偏硼酸锂、以及氧化锆、以及具有与所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·H·克罗克斯，M·S·穆恩齐，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US