一种碳化硅陶瓷与镍基高温合金钎焊方法技术

一种碳化硅陶瓷与镍基高温合金钎焊方法，属于焊接领域。采用不同的层状结构材料，将片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状CoCrNi中熵合金用粘结剂粘结在碳化硅陶瓷和镍基高温合金中间，最终形成的顺序依次为：镍基高温合金、片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状高熵合金钎料、片状CoCrNi中熵合金、片状高熵合金钎料、碳化硅陶瓷；然后焊接。可以在高温下实现SiC与镍基高温合金可靠连接。合金可靠连接。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅陶瓷与镍基高温合金钎焊方法


[0001]本专利技术涉及一种SiC陶瓷与镍基高温合金钎焊方法及高熵合金钎料，属于异质材料高温钎焊领域。

技术介绍

[0002]碳化硅(SiC)陶瓷具有高温强度高、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数(CTE)小、硬度高以及抗热震性能优异等优良特性，其构件与金属或金属基复合材料钎焊连接的接头广泛地应用于航空航天、核能、机械、石油、光学、集成电路等领域，但由于SiC陶瓷材料表面难以被钎料润湿，与金属物性相差极大，热膨胀系数不匹配，界面易形成大量金属间化合物等等不利因素，使得在高温下实现SiC与镍基高温合金可靠连接，十分困难，因此设计一种可以在1100
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1200℃高温环境下有效润湿陶瓷界面，且不至于剧烈反应的高温钎焊方法及材料，对于促进其在航空、航天以及其他相关领域的工程应用具有一定的意义。

技术实现思路
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[0003]本专利技术提供一种碳化硅陶瓷与高温合金钎焊方法及中间钎焊所使用的材料，采用不同的层状结构材料，是以位于周期表中第4周期的第一过渡系元素为基础，添加Ti等活性元素，选用CoCrNi中熵合金和纯Ni分别作为缓解残余应力的硬性中间层和软性中间层加入到高熵合金钎料之中。
[0004]一种碳化硅陶瓷与高温合金的钎焊方法，包括步骤如下：
[0005]步骤一：将中间钎焊采用的材料：高熵合金钎料、纯Ni、CoCrNi中熵合金制备成箔片；对碳化硅陶瓷、镍基高温合金表面进行打磨，由于SiC陶瓷硬度很高，使用轧辊机的轧辊对表面进行打磨，然后对片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状CoCrNi中熵合金超声清洗；
[0006]步骤二：将片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状CoCrNi中熵合金用粘结剂粘结在碳化硅陶瓷和镍基高温合金中间，最终形成的顺序依次为：镍基高温合金、片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状高熵合金钎料、片状CoCrNi中熵合金、片状高熵合金钎料、碳化硅陶瓷；
[0007]步骤三：将上述多层结构置于高温钎焊炉中，为防止高温钎焊中钎料挥发，同时保证气氛，使用两件Al2O3陶瓷器皿将上述多层结构套住，器皿之间的接触缝隙中埋入直径为0.5mm
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1mm的Al2O3陶瓷颗粒封堵；
[0008]步骤四：在真空钎焊炉中进行加热，先加热至400℃，停留10
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20分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；后继续加热至800℃在800℃保温20
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30分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；然后继续升温至1120℃并保温23
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37分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；随后降温冷却降至400℃，这一过程降温速率：4.5℃
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6℃/min，然后随炉自然冷却；钎焊完成后，其中高熵合金钎料、纯Ni、CoCrNi中熵合金仍然保持原有的层次结构。
[0009]每一层高熵合金钎料片的厚度为0.08
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0.1mm，成分为：27
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35at％Cu，27
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35at％Mn，8
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12at％Cr，9
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12at％Co，6
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11at％Fe，3
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7at％Ti；片状CoCrNi中熵合金的厚度为0.15
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0.2mm，CoCrNi中熵合金的成分为：34
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35at％Co，33
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35at％Ni，30
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33at％Cr；纯Ni片厚度为
0.15
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0.2mm，Ni的纯度大于99.9％。
[0010]钎焊所用层状材料由于其高混乱度可抑制金属间化合物的产生，以及其随机固溶体带有的迟滞扩散效应，使之在钎焊材料设计领域具有一定应用潜力，目前国内外学者研究热度较高，但实际上以Co、Cr、Fe、Mn、Cu等第一过渡系元素作为基础组元的高熵合金，普遍存在固液相线过高的问题，其完全液相温度往往在1250℃以上甚至可以达到1400℃，在此高温下往往出现接头区域脆性反应层化合物过度生长、合金母材高温元素大量挥发、金属材料晶粒粗大及强化相溶解造成机械性能下降等问题；且该钎焊温度也已经超过了市面上大部分常规钎焊炉设备的正常使用温度，这无疑也限制了高温钎料的应用和高温合金母材的选择范围，而通过加大低熔相含量和制备纳米程度粉末钎料的方法降低钎料熔点，又使钎料的混合度和结构熵脱离了高熵范围。这时国内外有关学者通过额外引入低熔点的降熔元素降低钎料熔点，或是增加Ni元素作为高熵合金的其中一个主元。考虑镍元素高温下在SiC表面的溶解驱动润湿和反应润湿都容易损害SiC，导致大量NiSi化合物形成，故本专利技术从热力学和凝固与结晶动力学角度出发，通过合理调控元素含量，在不引入新的降熔元素的基础上，成功设计了一种不含有Ni元素的熔点在1100℃左右的高熵合金钎料，且含有Ti等活性元素，可有效实现碳化硅陶瓷与镍基高温合金的钎焊连接，由于本钎料不含有Ni元素，故不容易导致过度的界面反应，且在高温下钎料仍有较好的热稳定性。
[0011]另外，镍基高温合金与碳化硅陶瓷热膨胀系数相差较大，在高温热循环中会产生严重残余应力，由于陶瓷抗压不抗拉，陶瓷晶体中可动位错很少，而位错运动又很困难，一旦达到屈服强度就断裂，同时陶瓷晶体与金属不同，具有先天性微裂纹，在裂纹尖端，会产生严重的应力集中，在拉伸时当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩展而断裂，所以碳化硅陶瓷基体承载拉应力的能力极差，且不可能通过缩小镍基高温合金母材尺寸的方式缓解残余应力。目前一般采用软性或硬性材料充当中间层，承担一部分应变的方式来缓解残余应力，而本专利提出使用具有较低的热膨胀系数和较高弹性模量的CoCrNi中熵合金作为硬性中间层，使用纯Ni作为软性中间层，设置成双夹层的结构，由于CoCrNi中熵合金的热膨胀系数介于碳化硅陶瓷和镍基高温合金之间，同时弹性模量较高，将CoCrNi中熵合金放入钎料中，可以将原本在碳化硅陶瓷近表面处形成的残余应力转移到CoCrNi中熵合金中，而上方的纯Ni已经通过自身的塑性变形吸收一部分残余应力，这样可以将钎焊结束后陶瓷基体内的残余应力水平降低到比较低的程度。
[0012]使用万能材料测试机对对接的SiC陶瓷与高温金属异种接头进行剪切试验，常温下剪切强度可达90MPa，400摄氏度下剪切强度可达33.2MPa，本申请得到的接头强度较高，同时高熵合金钎料与SiC陶瓷基体的界面结合强度较高，连接的母材可以是SiC陶瓷和镍基高温合金，本申请可以满足在1100℃钎焊连接SiC陶瓷与镍基高温合金的需求，镍基高温合金可以是Inconel合金、Hastelloy合金、Monel合金，本专利可用于能源、石油、化工、航天、航空领域SiC陶瓷与镍基高温合金的异种连接。
附图说明：
[0013]图1镍基高温合金、高熵合金钎料和纯Ni的应力
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应变曲线：(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅陶瓷与高温合金的钎焊方法，且正在与，包括步骤如下：步骤一：将高熵合金钎料，纯Ni，CoCrNi中熵合金制备成箔片；对碳化硅陶瓷、镍基高温合金表面进行打磨，由于SiC陶瓷硬度很高，使用轧辊机的轧辊对表面进行打磨，然后对片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状CoCrNi中熵合金超声清洗；步骤二：将片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状CoCrNi中熵合金用粘结剂粘结在碳化硅陶瓷和镍基高温合金中间，最终形成的顺序依次为：镍基高温合金、片状高熵合金钎料、纯Ni片、片状高熵合金钎料、片状CoCrNi中熵合金、片状高熵合金钎料、碳化硅陶瓷；步骤三：将上述多层结构置于高温钎焊炉中，为防止高温钎焊中钎料挥发，同时保证气氛，使用两件Al2O3陶瓷器皿将上述多层结构套住，器皿之间的接触缝隙中埋入直径为0.5mm
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1mm的Al2O3陶瓷颗粒封堵；步骤四：在真空钎焊炉中进行加热，先加热至400℃，停留10
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20分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；后继续加热至800℃在800℃保温20
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30分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；然后继续升温至1120℃并保温23
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37分钟，其中升温速率：4.5℃
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6℃/min；随后降温冷却降至400℃，这一过程降温速率：4.5℃
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6℃/min，然后随炉自然冷却；钎焊完成后，其中高熵合金钎料、纯Ni、CoCrNi中熵合金仍然保持原有的层次结构。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，每一层高熵合金钎料片的厚度为0.08
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【专利技术属性】
技术研发人员：李红，李泊瑾，栗卓新，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：