一种碳化硅连接件及激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硅连接件及激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法。所述碳化硅连接件包括：第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件，以及形成在第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件之间的第一高硅铝合金层、低硅铝合金层和第二高硅铝合金层；优选地，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件为碳化硅陶瓷及其复合材料。材料。材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅连接件及激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种碳化硅连接件及激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法，属于碳化硅陶瓷连接领域。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷及其复合材料因具有良好的高温强度、高的热导率、低的密度与热膨胀系数等优点，被广泛应用在航空航天、电子和化工等领域。在实际的工程应用中往往要求碳化硅陶瓷及其复合材料具有特定的复杂形状或者较大的尺寸，但碳化硅陶瓷及其复合材料的高脆性、低延展性，使其难以像金属材料一样变形及进行切削加工，对复杂形状或者较大尺寸的器件整体成型难度大，而且加工成本也高。从降低加工成本以及工艺可靠性等方面考虑，将形状复杂以及较大尺寸的部件分割，然后通过连接的方法将这些分割成的形状简单、尺寸较小的部件组装起来，同样能达到应用的要求。
[0003]常用的连接技术有直接扩散连接、钎焊连接、反应连接、前驱体连接和玻璃连接。这些方法各有优缺点，其中钎焊具有工艺简单、连接温度低和接头可靠性好等优点，被广泛应用在碳化硅陶瓷的连接上。目前碳化硅陶瓷钎焊的焊料主要以银、铜、钛基等活性中低温焊料为主，但这些焊料的热膨胀系数比碳化硅陶瓷的热膨胀系数高很多，使用温度也较低，因此寻找新的碳化硅陶瓷焊料和连接工艺成为了研究的热点。

技术实现思路

[0004]为了解决焊料热膨胀系数与碳化硅基体相差较大，热匹配性和润湿性较差，界面结合强度低等问题，本专利技术提供了一种碳化硅连接件及激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法。
>[0005]一方面，本专利技术提供了一种碳化硅连接件，包括：第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件，以及形成在第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件之间的第一高硅铝合金层、低硅铝合金层和第二高硅铝合金层。
[0006]较佳的，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件为碳化硅陶瓷及其复合材料；所述碳化硅复合材料包括但不限于碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅。
[0007]优选地，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件在25～1000℃范围内的热膨胀系数为3.0
×
10
‑6/K～5.0
×
10
‑6/K。
[0008]较佳的，所述高硅铝合金层的组成为高硅铝合金；所述高硅铝合金中硅含量为60～80wt％，优选选自硅60
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铝40、硅70
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铝30和硅80
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铝20合金中的至少一种。
[0009]较佳的，所述第一高硅铝合金层和第二高硅铝合金层的厚度为1～5μm。
[0010]较佳的，所述低硅铝合金层的组成为低硅铝合金；所述低硅铝合金中硅含量为20～40wt％，优选选自硅20
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铝80、硅30
‑
铝70和硅40
‑
铝60合金中的至少一种。
[0011]较佳的，所述低硅铝合金层的厚度为5～20μm。
[0012]较佳的，所述碳化硅连接件的连接强度最高可大于290.7MPa。
[0013]再一方面，本专利技术提供了一种激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法，包括：(1)将高硅铝合金悬浮液分别均匀涂覆在第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件表面，再经烘干，得到表面涂覆高硅铝合金层的第一碳化硅部件和表面涂覆高硅铝合金层的第二碳化硅部件；(2)对表面涂覆高硅铝合金层的第一碳化硅部件和表面涂覆高硅铝合金层的第二碳化硅部件分别进行激光熔覆处理，得到表面有激光熔覆层的第一碳化硅部件和表面有激光熔覆层的第二碳化硅部件；(3)在表面有激光熔覆层的第一碳化硅部件和表面有激光熔覆层的第二碳化硅部件中激光熔覆层的表面分别涂覆低硅铝合金悬浮液后并完成对接，再经烘干和热处理，实现第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件的连接。
[0014]较佳的，所述高硅铝合金悬浮液包含高硅铝合金粉末和溶剂；所述溶剂选自去离子水或/和有机溶剂，所述有机溶剂优选选自乙醇、丙酮和甲醇中的至少一种；所述高硅铝合金粉末中硅含量为60～80wt％，优选选自硅60
‑
铝40粉末、硅70
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铝30粉末和硅80
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铝20合金粉末中的至少一种，更优选为硅60
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铝40(Si60
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Al40)合金粉末。
[0015]较佳的，所述高硅铝合金粉末的平均粒径为1～10μm；所述高硅铝合金悬浮液中的高硅铝合金粉末含量为30～50wt％。
[0016]较佳的，所述低硅铝合金悬浮液包括低硅铝合金粉末和溶剂；所述溶剂选自去离子水或/和有机溶剂，所述有机溶剂优选选自乙醇、丙酮和甲醇中的至少一种，优选为乙醇；所述低硅铝合金粉末中硅含量为20～40wt％，优选选自硅20
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铝80粉末、硅30
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铝70粉末和硅40
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铝60合金粉末中的至少一种，更优选为硅40
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铝60(Si40
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Al60)合金粉末。
[0017]较佳的，所述低硅铝合金粉末的平均粒径为1～10μm；所述低硅铝合金悬浮液中的低硅铝合金粉末的含量为40～60wt％。
[0018]较佳的，所述激光熔覆的激光功率在50～150W之间，扫描速度为10～30mm/s，光斑间距为0.05～0.15mm；激光熔覆气氛为真空、氩气、氮气和空气中的一种，优选为氮气或氩气等惰性气体。
[0019]较佳的，所述激光熔覆所用的激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种，优选为二氧化碳气体激光器或光纤激光器。
[0020]较佳的，所述烘干的温度为80～100℃、优选为90℃，保温时间为15～45min、优选为30min。
[0021]较佳的，所述热处理的温度为800～1100℃，保温时间为15～120min，保护气氛为真空、惰性气体或空气。
[0022]较佳的，涂覆高硅铝合金悬浮液之前将第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件的表面进行预处理；所述预处理包括：表面打磨和超声清洗；优选地，用乙醇、丙酮或去离子水进行超声清洗。
[0023]有益效果：
本专利技术中，采用硅含量高于12.5％的过共晶硅铝合金(第一高硅铝合金层、低硅铝合金层和第二高硅铝合金层)作为连接材料，这类合金流动性较好，热膨胀系数可以根据硅含量进行调整，具有较低的中子吸收截面，可以有效抵抗核辐射等辐射干扰。此外，高含硅量可以抑制铝和碳化硅反应生成金属间化合物Al4C3等脆性相，提高结合强度；本专利技术中，利用激光熔覆的方法进行辅助连接，将热膨胀系数与碳化硅基体更接近的高硅铝合金激光熔覆层作为连接过渡层，可以减少热应力的产生，得到结合强度更高的连接组件。然后再涂覆一层熔点较低的低硅铝合金，在较低的连接温度下即可完成连接。此外，低硅铝合金和过渡层的高硅铝合金的材料组成相近，可以提高低硅铝合金对碳化硅基体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅连接件，其特征在于，包括：第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件，以及形成在第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件之间的第一高硅铝合金层、低硅铝合金层和第二高硅铝合金层；优选地，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件为碳化硅陶瓷及其复合材料。2.根据权利要求1所述的碳化硅连接件，其特征在于，所述第一/第二高硅铝合金层的组成为高硅铝合金；所述高硅铝合金中硅含量为60～80wt％，优选选自硅60
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铝40、硅70
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铝30和硅80
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铝20合金中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的碳化硅连接件，其特征在于，所述第一高硅铝合金层和第二高硅铝合金层的厚度为1～5μm。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的碳化硅连接件，其特征在于，所述低硅铝合金层的组成为低硅铝合金；所述低硅铝合金中硅含量为20～40wt％，优选选自硅20
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铝80、硅30
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铝70和硅40
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铝60合金中的至少一种。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的碳化硅连接件，其特征在于，所述低硅铝合金层的厚度为5～20μm。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的碳化硅连接件，其特征在于，所述碳化硅连接件的连接强度最高可大于290.7MPa。7.一种激光辅助硅铝合金连接碳化硅陶瓷及其复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)将高硅铝合金悬浮液分别均匀涂覆在第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件表面，再经烘干，得到表面涂覆高硅铝合金层的第一碳化硅部件和表面涂覆高硅铝合金层的第二碳化硅部件；(2)对表面涂覆高硅铝合金层的第一碳化硅部件和表面涂覆高硅铝合金层的第二碳化硅部件分别进行激光熔覆处理，得到表面有激光熔覆层的第一碳化硅部件和表面有激光熔覆层的第二碳化硅部件；(3)在表面有激光熔覆层的第一碳化硅部件和表面有激光熔覆层的第二碳化硅部件中激光熔覆层的表面分别涂覆低硅铝合金悬浮液后并完成对接，再经烘干和热处理，实现第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件的连接。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件为碳化硅陶瓷及其复合材料；所述碳化硅复合材料包括但不限于碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅；优选地，所述第一待连接碳化硅部件和第二待连接碳化硅部件在25～1000℃范围内的热膨胀系数为3.0

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，黄常聪，黄政仁，李凡凡，陈忠明，刘学建，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：