专利名称：陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法
技术领域：
本发明陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，是一种以金属间化合物为过渡层，在电场作用下进行的陶瓷与金属材料的反应扩散连接方法。属于异种材料连接的技术领域。
背景技术：
近年来发展起来的一类陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法是利用扩散焊和钎焊焊接技术，通过单层或多层陶瓷材料与金属材料间的连接形成复合层状连接界面， 设置塑性好的材料作为过渡层减缓因材料物理性能差异而产生的连接残余应力。由于这些连接方法的工艺复杂，工效低和连接强度低，限制了其应用范围。
发明内容
本发明陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，目的在于为了克服上述背景技术中的不足，公开一种以金属间化合物为过渡层和电场作用下反应扩散的陶瓷与金属之间的连接方法的技术方案。本发明陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于是一种电场激活陶瓷复合材料与金属材料反应扩散的连接方法，该方法是在陶瓷和金属之间添加相应的混合粉体，在电场激活作用下产生燃烧反应热，分别将陶瓷材料和金属材料局部熔化并产生扩散反应而形成连接的方法，该方法所形成的梯度层状材料从陶瓷层到金属层的结构依次为陶瓷层-金属间化合物过渡层-金属层，各层的厚度分别为陶瓷层0. 5 2. 0mm，金属间化合物层0. 2 0. 5mm,金属层1. 0 5. 0_。层间连接剪切强度为70 90MPa。上述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其所述的金属间化合物过渡层是由粉体燃烧反应形成的，混合金属粉分别为Fe粉+Al粉，Ni粉+Al粉，Ti粉+Al粉或Fe 粉+Ni粉，按摩尔百分比例均勻混合，粉体的颗粒尺寸为5 20 μ m，燃烧形成的金属间化合物为 FeAl，Ni3Al, TiAl 或 FeNi 中的一种。上述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的反应扩散连接是在电场作用下，置于陶瓷和金属之间的混合金属粉体产生燃烧反应，反应过程的化学方程式为Ni+Fe — NiFe+Q (反应热) (1)Ti+Al — TiAl+Q(反应热) (2)Ni+Al — NiAl+Q (反应热) (3)Fe+Al — FeAl+Q (反应热) (4)所加电场的电流密度为500 1200A/cm2，制备过程试样的温度相应为600 1300 "C。上述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于上述的陶瓷复合材料为TiB2、TiC、Zr02与Ni的复合材料，Ni作为粘结剂的比例为10 15%;金属材料为Ni、Ti、Cu、NiCr合金及碳钢。上述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征为在电场激活作用下， 置于陶瓷层和金属间的混合粉体产生燃烧反应。电场的激活原理如图1所示。在上下电极1和电极2之间放置刚玉模具5，压头3和压头4，将装有试样坯料7、坯料8、坯料9的刚玉模具置于两石墨压头之间并施加一定压力，炉内真空抽至10_3 10_4Pa后，接通电源调节电流到预定值并保持一段时间，连接完成后将电流缓慢减小至零，试样随炉冷却至室温。 试验过程中采取的工艺参数为电流I = 1000-1600A，通电时间t = 10-25min，压力P = 40-70MPa。本发明陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法优点在于，由于过渡层的热膨胀系数介于陶瓷和金属之间，且其中的Ni、Al元素均可与陶瓷复合材料和金属中的金属元素形成互溶和化合，在连接界面具有较好的润湿性，保证各层间界面的良好结合，并可显著缓解层间结合界面的失配问题，减少热应力和提高热震性，提高连接体的力学性能、层间的剪切强度和压溃强度。中间过渡层的原始粉体在强电场的作用下快速产生的燃烧反应热使结合界面区加热和局部熔化，形成元素互扩散和化合，在压力的辅助作用下形成层间固相连接，反应扩散连接法形成的界面如图2所示。本发明提出的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，与一般陶瓷与金属连接方法的区别是1.在陶瓷复合材料与金属的连接界面加入金属粉体混合物形成金属间化合物过渡层结构。2.设置在陶瓷复合材料与金属的连接界面的金属混合粉体，利用强电场作用下燃烧反应加热界面区，形成扩散和反应连接。3.用本发明制备的陶瓷-金属层状复合体的层间连接剪切强度为70 90MPa，具有较高的抗热振性。
图1表示陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法的原理图1、2—上下铜电极，3、4一上下石墨压头，5—刚玉模具，6—直流电源，7—陶瓷复合材料，8-金属，9-金属混合粉体，10-轴向压力。图2连接体的宏观金相图，图中，Α—陶瓷层，B-过渡层，C-金属层
具体实施例方式实施方式1 :TiB2/Ni-Ni3Al_Ni连接结构TiB2/Ni复合陶瓷，Ni含量10%，Ni板厚度5mm;混合粉体按摩尔百分比3 1混合，粉料粒度为5 10 μ m，按图1所示方式将TiB2/Ni-Ni3Al-Ni置于电极之间的刚玉模具内，将电流升至1300A保持12min，然后降至1000A保持5min，最后关闭电源，试样随炉冷却至室温。整个过程炉内真空度约2X10_4Pa，施加单向压力70MPa，试样自然冷却后从模具中取出，连接件的剪切强度为78MPa。实施方式2 :TiC/Ni-TiAl-Ti连接结构
TiC/Ni复合陶瓷，Ni含量10%，Ti板厚度5mm ；Ti和Al混合粉体按摩尔百分比1 1混合，粉料粒度为5 10 μ m，按图1所示方式将TiC/Ni-TiAl-Ti置于电极之间的刚玉模具内，将炉温升至773K，然后将电流调至1400A保持15min，缓慢降至1200A，保持5min，缓慢降至750A保持5min ；当反应进行到第7分钟时，向反应坯料施加42. 5MPa 的单向压力，直至反应结束；最后关闭电源，试样随炉冷却至室温，整个过程炉内真空度约 2X IO-3Pa0试样自然冷却后从模具中取出，连接件的剪切强度为90MPa。实施方式3 :TiB2/Ni-Ni3Al-CrNi合金连接结构TiB2/Ni复合陶瓷，Ni含量10%，CrNi板厚度5mm ；Ni3Al混合粉体按摩尔百分比 1 1混合，粉料粒度为5 10 μ m，按图1所示方式将TiB2/Ni-Ni3Al-Ni置于电极之间的刚玉模具内，将电流升至1300A保持12min，然后降至1000A保持5min，最后关闭电源，试样随炉冷却至室温。整个过程炉内真空度约2X10-4Pa，施加单向压力70MPa，试样自然冷却后从模具中取出，连接件的剪切强度为剪切强度为80MPa。
权利要求
1.一种陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于是一种电场激活陶瓷复合材料与金属材料反应扩散的连接方法，该方法是在陶瓷和金属之间添加相应的混合粉体，在电场激活作用下产生燃烧反应热，分别将陶瓷材料和金属材料局部熔化并产生扩散反应而形成连接的方法，该方法所形成的梯度层状材料从陶瓷层到金属层的结构依次为陶瓷层-金属间化合物过渡层-金属层，各层的厚度分别为陶瓷层0. 5 2. 0mm，金属间化合物层0. 2 0. 5mm，金属层1. 0 5. 0mm，层间连接剪切强度为70 90MPa。
2.按照权利要求1所述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的金属间化合物过渡层是由混合粉体燃烧反应形成的，混合金属粉体分别为Fe粉+Al粉 (1 l)、Ni 粉+Al 粉(3 l)、Ti 粉+Al 粉(1 1)或 Fe 粉+Ni 粉(1 1)，按摩尔百分比例均勻混合，其每一种单质粉体的颗粒尺寸为5 20μπι，燃烧形成的金属间化合物过渡层为 FeAl、Ni3Al,、TiAl 或 FeNi 中的一种。
3.按照权利要求1所述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的电场激活陶瓷复合材料与金属材料反应扩散的连接是在电场作用下，置于陶瓷和金属之间的混合粉体产生燃烧反应，反应过程的化学方程式为Ni+Fe — NiFe+Q (反应热) (1)Ti+Al — TiAl+Q (反应热) (2)Ni+Al — NiAl+Q (反应热) (3)Fe+Al — FeAl+Q (反应热) (4)所加电场的电流密度为500 1200A/cm2，制备过程试样的温度为600 1300°C。
4.按照权利要求1所述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于上述的陶瓷复合材料为TiB2、TiC和&02中的一种或它们之间的相互组合成与Ni的复合材料， Ni述的与陶瓷复合材料连接的金属材料为Ni、Ti、Cu、NiCr合金或碳钢。
5.按照权利要求1所述的陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法，其特征在于所述的在电场激活作用下，置于陶瓷层和金属层之间的混合粉体产生燃烧反应，其具体操作过程为在上电极1和下电极2之间放置刚玉模具5、石墨上压头3和石墨下压头4，将装有试样陶瓷坯料7、金属坯料8和混合粉体坯料9的刚玉模具置于两石墨压头之间并施加一定压力，炉内真空抽至10_3 10_4Pa后，接通电源调节电流到预定值并保持一段时间，连接完成后将电流缓慢减小至零，试样随炉冷却至室温，试验过程中采取的工艺参数为电流I = 1000-1600A，通电时间 t = 10-25 分钟，压力 P = 40_70MPa。
全文摘要
一种陶瓷复合材料与金属的反应扩散连接方法属于陶瓷与金属材料连接的技术领域，其特征在于在陶瓷复合材料和金属之间添加相应的混合粉体，在电场激活作用下产生燃烧反应热，分别将陶瓷复合材料和金属材料局部熔化并产生扩散反应而形成连接。金属粉体的燃烧合成形成了性能介于陶瓷和金属之间的金属间化合物，缓解了金属与陶瓷之间的失配问题，电场作用促使界面之间元素的相互扩散，有利于提高连接界面的强度。此方法通过燃烧放热同步实现了中间层的合成和金属与陶瓷的连接，具有能耗低和连接强度高的特点。
文档编号C04B37/02GK102219539SQ20111007434
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者孟庆森, 樊文浩, 王福明, 胡利方, 陈少平 申请人:太原理工大学