[發明專利]一種利用冷噴涂連接異質材料的方法

在審

• 申請號: 202010018213.2
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111172525A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 所新坤;秦加浩;黃群;黃晶;周平;鳳曉華;李華
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所;中國科學院寧波工業技術研究院慈溪生物醫學工程研究所
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明涉及異種材料連接領域，公開了一種利用冷噴涂連接異質材料的方法，通過冷噴涂將金屬粉末噴涂在不同基材的對接處，在對接處形成500μm以上的金屬涂層，不同基體間的結合強度為20?40MPa；所述的基體為金屬基體、陶瓷基體或高分子基體。本發明采用冷噴涂工藝將金屬粉末加熱到未熔化的狀態，噴涂在異質材料的連接處，克服了高溫焊接對材料本身的破壞，形成的連接涂層結合強度高。該方法經濟環保、連接處結合強度高，性能優異，適應于產業化等優點，在電子、石油化工、船舶工程領域有著廣泛地應用前景。

技術領域

本發明涉及異種材料連接領域，具體涉及一種利用冷噴涂連接異質材料的方法。

背景技術

不同材料具有不同的性能優勢，陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗氧化、抗腐蝕等優良性能，廣泛應用于航空航天、電力電子、能源交通等領域，成為經濟和國防發展中不可缺少的支撐材料。但是由于陶瓷本身的脆性使其加工性能差，難以制成尺寸大、形狀復雜的構件，從而限制了其進一步的應用與發展。高分子材料具有加工韌性強、耐腐蝕、耐候性好等優異性能，在各個領域的應用非常廣泛，但其導電性能弱，一定程度上限制了其發展。反觀金屬材料，具有優良的室溫強度、延展性、導電性和導熱性，任意兩種不同類型的材料之間都有一種明顯的互補關系。因此將異種材料結合起來，就可以充分利用各自的優良性能，制造出滿足要求的復雜構件，不僅能夠降低成本，對各種材料的應用與發展也具有重要意義。

而陶瓷與金屬的直接連接問題主要表現在以下幾個方面：(1)陶瓷與金屬鍵型不同，難以實現良好的冶金連接；(2)陶瓷與金屬的熱膨脹系數差異大，連接接頭容易產生較大的殘余應力，致使接頭強度低；(3)陶瓷表面潤濕性差，連接工藝確定困難。目前，關于陶瓷與金屬連接方法的研究已有很多，包括機械連接、粘接連接、釬焊連接、固相擴散連接、瞬時液相連接、熔化焊、自蔓延高溫合成連接、摩擦焊、微波連接、超聲連接等方法。

由于陶瓷和有機高分子的本身性質差異，傳統的焊接技術難以實現金屬、陶瓷和有機高分子中異種材料的連接。陶瓷本身的線膨脹系數小，脆性較大；而金屬的線膨脹系數相對很大，導致連接處易開裂；有機高分子的熔點都很低，難以承受焊接過程的高溫。

公開號為CN109940235A的專利公開了一種焊接金屬與陶瓷的方法，此方法通過在陶瓷表面預先鍍金屬的方案來提高釬焊可焊性，雖然這種方案間接使得金屬和陶瓷焊接在一起，但是中間金屬鍍層的厚度與質量嚴重影響了后序焊接工藝，在焊接后處理中對溫度的控制極為苛刻，按照六個梯度對焊接組合體進行降溫。

公開號為CN110102925A的專利公開了一種金屬與高分子焊接裝置及焊接方法，此方案采用精確溫控的方式對高分子進行加熱加壓焊接，此焊接方法需要設計專用的操作平臺，焊接尺寸有所限制，對高分子破壞較為嚴重，只針對一些低熔融指數的高分子材料。

要實現異種材料的連接，亟需開發一種高效、可高、經濟、環保的材料連接技術。同時金屬與金屬之間的連接技術已經有成熟的焊接技術，但是焊接工藝的缺點也是十分明顯的，如飛濺、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等。氣孔和裂紋缺陷使得焊接強度大大降低，因此提高焊接質量需要較高的焊接經驗和技術。冷噴涂由于具有低溫工作和高強度結合等優勢引起研究者的注意。

冷噴涂是一種基于空氣動力學的新型熱噴涂成型技術，相對于傳統高溫熱源的熱噴涂技術，它有以下明顯的優勢：噴涂效率高，沉積效率高，適合大批量生產；涂層的化學成分和粉末原材料保持一致，不存在氧化、燒損等缺陷，保證涂層的可焊性；對基體的熱影響小，適合在高分子等低熔點材料表面沉積，也適合高溫下過冷開裂的陶瓷材料。在噴涂過程中，粉末顆粒加熱溫度低，仍然保持固態，固態顆粒在極高應力、應變和應變速率條件下通過“絕熱剪切失穩”引起的塑性流變或者通過劇烈塑性變形等機械過程實現在表面的沉積。因此，冷噴涂涂層缺陷較少，無殘余熱應力，存在殘余壓應力，冷噴涂技術在制備較厚的涂層方面有熱噴涂無法比擬的優勢。這一優勢來源于冷噴涂涂層的結合機理。