[發明專利]一種復合高熵合金釬料釬焊陶瓷與金屬的方法

在審

• 申請號: 201710677144.4
• 申請日: 2017-08-09
• 公開（公告）號: CN107363359A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 李紅;黃海新;邢增程;李云月
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K1/19
• 分類號: B23K1/19;B23K1/20;B23K1/008
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于異種材料連接技術領域，具體涉及一種復合高熵合金釬料釬焊陶瓷與金屬的方法

背景技術

陶瓷具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕和高硬度等優良性能，因此在航天、能源等領域有著重要應用。但是陶瓷在常溫下韌性較差，難以加工成形狀復雜的結構部件，這就很大程度上限制了陶瓷材料的應用范圍。而如果采用連接技術將陶瓷與金屬制備成復合構件，這樣既可以利用陶瓷材料優異的高溫性能，又可以發揮金屬材料的塑性和韌性，從而有效的擴大了陶瓷-金屬復合材料應用領域，滿足現代工程應用的需求。

陶瓷與金屬的連接目前已經有了大量的研究，通過陶瓷表面預金屬化和在金屬釬料中添加活性元素的方法一定程度上解決了金屬釬料在陶瓷上難以潤濕的問題，有些研究者提出采用三元系鋁基釬料，例如AlSiCu或AlSiMg等晶態釬料進行高溫釬焊，釬焊溫度為1100℃，利用界面反應提高其在某些陶瓷，例如SiC上的潤濕性。但是由于Si，Cu，Mg等元素的添加，與陶瓷基體反應后在陶瓷-金屬接頭中出現了大量的脆性金屬間化合物，通過優化焊接工藝，較難有效控制脆性金屬間化合物相的種類、數量、形態以及分布，這在很大程度上影響了釬焊接頭的力學性能。

發明內容

針對上述現有技術工藝存在的不足，本發明的目的是提供一種復合高熵合金釬料釬焊陶瓷-金屬的方法，利用高熵合金的高熵效應來抑制陶瓷-金屬釬焊過程中脆性金屬間化合物的產生。同時在高熵合金釬料與陶瓷之間放置一層活性鈦箔，通過Ti元素與陶瓷發生反應，在界面處形成韌性化合物，從而實現陶瓷與金屬的有效冶金結合。

高熵合金自由能低，易于形成結構簡單的BCC或者FCC固溶體，具有顯微結構簡化，不傾向于出現金屬間化合物，具有納米析出物與非晶質結構等特征，從而具有高強度、高硬度、耐回火軟化、耐磨等優良性能，與含有一種主要元素原子百分比大于50％的傳統釬料合金相比，其在釬焊領域具有廣闊的應用前景。而高熵合金體系眾多，大多數熔點較高(在1200℃以上)，對于陶瓷與金屬的釬焊，AlNiCu三元高熵合金、AlNdNiCuFe、AlNdNiCuCo、MgAgCuPdY五元高熵合金，以及AlNiFeCrCoCu六元高熵合金具有高的延塑性以及高溫強度，釬焊后形成BCC或者FCC固溶體，可以有效降低釬焊界面殘余應力，提高接頭強度。其中AlNiCu熔點為1069.80℃；Al₁₅Nd₆₀Ni₁₀Cu₁₀Fe₅熔點為1037.13℃、Al₁₁Nd₆₁Ni₈Cu₁₅Co₅熔點為1043.18℃、Mg₆₅Ag₅Cu₁₅Pd₅Y₁₀熔點為812.64℃等；Al_1.8-2.8NiFeCrCoCu熔點為1090.21-1268.22℃，滿足陶瓷與金屬高溫釬焊的溫度范圍。本專利重點選擇使用三元AlNiCu高熵合金進行闡述。

本發明的復合高熵合金釬料，由兩層組成，上層為高熵合金層，下層為活性鈦層。

本發明的一種復合高熵合金釬料釬焊陶瓷與金屬的方法，是按以下步驟進行：

一準備

對陶瓷和金屬的待焊接表面以及制備好的AlNiCu高熵合金箔帶和鈦箔預處理后，置于丙酮中利用超聲波清洗，以除去基體和釬料表面的油污和雜質。并將釬料置于酒精中保存，避免污染。

二裝配

從待焊陶瓷表面往上依次放置下層釬料、上層釬料以及待焊接金屬，組成一個三明治結構(見附圖1)，并在釬焊結構上施加0.01-0.03MPa的壓力，固定三明治結構的同時保證復合釬料層與基體充分接觸。

三釬焊

將步驟三中的裝配件置于真空擴散爐中，真空度低于5.0×10^-3Pa后，以10℃/min的升溫速度升至900℃，保溫10min，然后以同樣的升溫速度升至1100℃，保溫10-30min后，切斷電源，隨爐冷卻至室溫后，取出試樣，完成釬焊。

上述方案中，所用釬料為箔帶狀AlNiCu高熵合金和鈦箔，AlNiCu箔帶的厚度為50-100μm，鈦箔的厚度為50-100μm。寬度均為5mm。

上述方案中，所使用的陶瓷可以為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。