[發明專利]一種碳化硅陶瓷-鎳基合金復合材料零件及其制備方法

有效

• 申請號: 201910817692.1
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110449563B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 王富;方顏;徐文梁;楊強;李滌塵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22D19/00
• 分類號: B22D19/00;C23C30/00;C23C14/35;C23C14/16;B22C9/02;B22C1/00;G16C60/00;G06T17/00;G06F30/17;G06F113/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開一種碳化硅陶瓷?鎳基合金復合材料零件及其制備方法，對碳化硅陶瓷基體連接部位進行拓撲優化設計，使陶瓷基體連接部位具有三維的網狀形貌；根據設計的陶瓷基體，制得陶瓷連接基體坯體，對陶瓷連接基體坯體進行處理，得到碳化硅陶瓷連接基體；對碳化硅陶瓷連接基體表面進行預合金化處理，增加碳化硅陶瓷連接基體連接面的金屬活性；制備氧化鈣基陶瓷模殼；利用氧化鈣基陶瓷模殼與經預合金化處理后的碳化硅陶瓷連接基體進行澆注；澆注完成后保溫、冷卻至預設溫度，在水中浸泡，以去除氧化鈣基陶瓷模殼，得到碳化硅陶瓷?鎳基合金復合材料零件。本發明解決了現有技術中碳化硅陶瓷與鎳基合金進行連接時，無法兼顧碳化硅陶瓷與鎳基合金之間的優良屬性的缺陷。

技術領域

本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種碳化硅陶瓷-鎳基合金復合材料零件及其制備方法。

背景技術

陶瓷材料近幾年來逐漸成為國民經濟眾多部門與國防事業中不可缺少的支撐材料，由于其自身耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗氧化、抗腐蝕等優良屬性，廣泛地服務于航天、機械、能源等諸多領域。但是由于陶瓷材料的韌性差、塑性低、耐沖擊性差，難以加工成尺寸較大、形貌復雜的零件，因此限制了陶瓷材料的深度應用與發展。高溫合金材料具有很好的高溫力學性能、優異的抗氧化能力、抗腐蝕能力、良好的抗蠕變疲勞能力、良好的導熱導電性以及延展性等。陶瓷材料與高溫合金材料在性能上有著一定的互補關系，通過一定的技術手段將陶瓷材料與高溫合金材料相結合，就能夠充分利用兩者性能上優異之處，克服陶瓷難以加工與抗沖擊弱等問題，生產兼具陶瓷與高溫合金優異性能，滿足要求的復雜高端產品。由于陶瓷與金屬之間的原子結構排布不同，物理性能與化學性能不匹配，復合連接存在著一定的困難，因此實現陶瓷與金屬的可靠連接，是陶瓷/金屬復合材料研究的關鍵所在，也是國內外學者研究的熱點問題。在化學性能方面，陶瓷材料主要由離子鍵與共價鍵所組成，而金屬材料則是由金屬鍵組成，相比陶瓷材料具有優良的導電能力。陶瓷與金屬連接過程中不可避免的存在鍵型不匹配所造成的兩者之間難以潤濕的問題，同時陶瓷與金屬連接界面形成的化合物也是影響陶瓷金屬連接的關鍵問題；在物理性能方面，陶瓷材料的熱膨脹系數小，彈性模量高，金屬材料的熱膨脹系數大，彈性模量低。因此在連接過程中接頭易存在較大的殘余應力，導致接頭的強度低，嚴重影響陶瓷金屬連接的可靠性，在服役過程中易出現連接部位的沖擊碎裂、蠕變裂紋、復合層脫落等失效形式。因此實現陶瓷與金屬可靠連接的關鍵在于避免陶瓷與金屬物理化學性能差異引起的連接困難問題，不僅要實現宏觀結構上的結合，還要實現陶瓷與金屬材料微觀上的冶金結合，更需要考慮結合區的長期穩定性、可靠性，切實提高其抗碎裂、抗交變熱載荷、抗蠕變等綜合能力。

目前國內外學者對于陶瓷與金屬連接方法的研究已經有很多，如機械連接、粘接連接、固相擴散連接、瞬時液相連接、自蔓延高溫連接、釬焊連接、超聲連接等方法。機械連接無法解決陶瓷-金屬之間物理化學性能之間差異在連接時所帶來的問題且容易產生較大的應力集中。粘接連接對粘接劑的要求較高，但是粘接劑的使用溫度一般較低，較大程度地限制了陶瓷金屬連接的作用。固相擴散以及瞬時液相連接在連接過程中由于中間層不好控制且無法形成復雜形貌的陶瓷連接因此極大程度地限制了陶瓷-金屬復合材料在諸多領域中的應用。釬焊連接在陶瓷與金屬連接中是主要方法，但是釬焊連接受到釬料的限制，對于不同種的陶瓷-金屬連接過程有一定的局限性。自蔓延高溫連接在連接過程中雖然連接時間短，但是連接強度及反應產物不容易進行控制。因此需要一種新型的、兼顧陶瓷與金屬之間的優良屬性的陶瓷-金屬異種材料構件制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳化硅陶瓷-鎳基合金復合材料零件及其制備方法，以解決現有技術中碳化硅陶瓷與鎳基合金進行連接時，無法兼顧碳化硅陶瓷與鎳基合金之間的優良屬性的缺陷。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

一種碳化硅陶瓷-鎳基合金連接復合材料零件的制備方法，包括如下步驟：

S1，對碳化硅陶瓷基體連接部位進行拓撲優化設計，使碳化硅陶瓷基體連接部位具有三維的網狀形貌；