[發明專利]一種采用難熔高熵合金中間層放電等離子擴散連接碳化硅陶瓷的方法

有效

• 申請號: 202111175676.0
• 申請日: 2021-10-09
• 公開（公告）號: CN113828880B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 李華鑫;程釧;王軍健;楊建國;賀艷明;鄭文健;閭川陽;馬英鶴;石磊;金霞
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K1/20;B23K3/04;B23K3/08;B23K35/02;B23K35/24;B23K35/40
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 龔如朝

本發明公開了一種采用難熔高熵合金中間層放電等離子擴散連接碳化硅陶瓷的方法，它是以難熔高熵合金Ta_xHfZrTi（其中x=0.5-1，Ta(at.%)=14.2-25%，Hf、Zr和Ti三種元素具有等摩爾量）作為中間層材料，通過SPS技術對兩塊待焊SiC陶瓷母材進行固相擴散焊接，從而獲得SiC陶瓷焊接接頭。本發明所獲得的SiC接頭在界面形成了高強度的(Ta,Hf,Zr,Ti)C高熵陶瓷相，避免了單一難熔金屬擴散連接SiC陶瓷生成熱膨脹系數較大的脆性硅化物，從而緩和了SiC接頭的熱失配，提高了接頭強度，接頭最大的室溫剪切強度高達326.2±9.9 MPa，中間層硬度高達2552.1±357.1 HV，具有較高的高溫環境下的工程實用價值。

技術領域

本發明屬于陶瓷材料的連接技術領域，具體涉及一種采用難熔高熵合金中間層放電等離子擴散連接碳化硅陶瓷的方法。

背景技術

碳化硅(SiC)陶瓷作為重要的工程陶瓷，具有高強度、高熔點、抗氧化、抗輻照、抗熱振、耐腐蝕等突出優點，可用作航空、航天、核能等高溫環境領域的結構部件。但高硬度、不導電的SiC陶瓷機械加工難度大，再由于加工技術及其成本的制約，制備大尺寸或形狀復雜的SiC陶瓷部件非常困難。因此，發展面向高溫環境應用的可靠SiC連接技術，是推進SiC陶瓷在高溫環境領域應用亟需解決的關鍵難題。

SiC陶瓷屬于難連接材料。幾十年來，國內外研究員進行了大量工藝探索，目前較為廣泛采用的連接方法是活性金屬釬焊和金屬中間層固態擴散連接技術。活性金屬釬焊通過在Ag基、Cu基等中低溫金屬釬料中加入Ti、Zr等活性元素，雖然有效解決了金屬釬料在SiC陶瓷表面的潤濕問題，但獲得的SiC陶瓷接頭使用溫度和強度較低，限制了SiC陶瓷的高溫應用。金屬中間層固態擴散連接是金屬中間層在高溫高壓的作用下塑性變形與SiC形成可靠接觸，再通過界面原子擴散實現的SiC陶瓷連接，該連接方法獲得的SiC接頭通常具有高強度和耐高溫的特點。難熔金屬如：鈦(Ti)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鎢(W)、鉭(Ta)等，因為具有與SiC相近的熱膨脹系數，通常作為固態擴散連接SiC的金屬中間層。在高溫高壓擴散連接過程中，SiC與難熔金屬容易相互反應，在界面處形成碳化物、二元硅化物和三元硅化物。其中脆性的二元硅化物(如：Me₅Si₃等，Me：金屬)和三元硅化物(如：Me₅Si₃C等，Me：金屬)與SiC的熱膨脹系數相差較大，是擴大接頭熱失配的主要有害相，從而導致接頭強度的衰減。如何抑制SiC/金屬界面形成具有較高熱膨脹系數的脆性硅化物，避免接頭殘余應力過大，是獲得高強度金屬中間層固態擴散連接SiC接頭和提高SiC連接件高溫環境服役可靠性的關鍵，也是金屬中間層固態擴散連接SiC面臨的最大難題。近幾年開發的難熔高熵合金，是由四種或四種以上難熔金屬元素固溶而成的合金，在高溫下具有良好的相穩定性和遲滯擴散效應。因此，本發明結合難熔高熵合金的優良高溫特性以及Ta、Hf、Zr、Ti難熔金屬可與C反應生成強化的(Ta,Hf,Zr,Ti)C高熵陶瓷相，提出一種新的金屬中間層Ta_xHfZrTi擴散連接SiC的方法，適用于制造面向高溫環境工程應用的SiC陶瓷部件。

發明內容

針對現有技術中單一難熔金屬中間層擴散連接SiC陶瓷的方法中，存在的易形成高熱膨脹系數的脆性硅化物、弱化接頭強度和降低接頭服役可靠性的技術問題，本發明提供了一種采用難熔高熵合金中間層放電等離子擴散連接碳化硅陶瓷的方法，該方法采用難熔高熵合金作為中間層材料，利用放電等離子燒結技術擴散連接SiC陶瓷，可以有效地抑制SiC接頭中具有高熱膨脹系數的脆性硅化物的形成，緩解接頭殘余應力，從而提高接頭強度和服役可靠性，有利于制造面向高溫環境應用的SiC陶瓷部件。

所述的一種采用難熔高熵合金中間層放電等離子擴散連接碳化硅陶瓷的方法，其特征在于是以難熔高熵合金Ta_xHfZrTi作為中間層材料，通過SPS技術對兩塊待焊SiC陶瓷母材進行固相擴散焊接，從而獲得SiC陶瓷焊接接頭。