专利名称：一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷与高温合金的连接方法，特别涉及一种SiC陶瓷与高温合金的连
接方法。
背景技术：
目前，关于陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属之间的连接，主要考虑连接件结构的强度、耐 高温能力、可靠性、制造成本等因素。对于SiC陶瓷的高温连接主要包括钎焊、扩散焊、自蔓 延高温合成等技术方法。关于SiC陶瓷的活性钎焊，一般采用的钎料主要包括Ag基、Cu基、 Ni基、Pd基等。然而，由于SiC陶瓷在高温条件下可以和绝大多数金属元素发生强烈的化 学反应，在接头界面形成脆性的硅化物、碳化物、含硅和碳的三元化合物，容易形成裂纹，从 而导致接头失效。关于SiC陶瓷的扩散焊，尽管扩散焊具有易于制备耐热耐蚀接头，接头密 封性较好及接头质量稳定等优点，但它对连接表面的加工和连接设备的要求很高，不适合 连接大部件，需要大的连接压力。而对于SiC陶瓷的自蔓延高温合成技术，同样面临高界面 反应性、较大连接压力以及装架复杂等问题。 近年来， 一些国外研究者从事过相关SiC陶瓷的非反应或低反应高温钎焊研究， 如只采用Si-17Pr、Si-22Ti、Si-16Ti、Si-18Cr、Si-44Cr和SiCr2等合金或化合物直接用作 钎料对SiC陶瓷和高温合金连接。但由于其含Si太高，合金脆性较大，在钎焊过程中或多或 少地在焊料层内存在较多的裂纹，同时也存在高温易氧化的问题，实际应用的可能性较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiC陶瓷与SiC陶瓷之间的高温液相连接方法，其连 接结构牢固、可靠，而且工艺简单、制造成本低。 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。 —种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)制备Ni-Si膏剂将Ni-Si合金粉末滚混球磨、过筛，装入玻璃瓶中，再加入草
酸乙二酯和胶棉溶液，搅拌至少30min，制成Ni-Si膏剂，待用； (2)前处理SiC陶瓷、高温合金和制作Mo片将SiC陶瓷的连接面依次磨平、抛光、 清洗和干燥；将高温合金的连接面依次磨平、清洗和干燥；再裁剪加工Mo片与SiC陶瓷的 连接面大小相适应，并清洗和干燥； (3)涂敷Ni-Si膏剂在SiC陶瓷的连接面涂敷Ni-Si膏剂层，或在Mo片的一个 表面涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干； (4)装配及高温连接将Mo片置于SiC陶瓷和高温合金的连接面之间，Ni-Si膏 剂层位于Mo片和SiC陶瓷之间，并施压固定，然后在真空炉中加热至1330 140(TC，保温 5 30min，冷却至室温，即可。
上述方案中，所述制备Ni-si合金膏剂中，Ni-si合金粉末草酸乙二酯胶棉
溶液的配比为(3 4)g : (4 6)ml : (6 8)ml ;所述Ni-Si合金粉末中含Si量为
340at. % 60at. % (原子数百分比)；所述高温合金包括可伐合金、Ni基高温合金；Mo片 厚度为300 400iim;在真空炉中，真空度优于1X10—中a条件下即可。
本发明与现有技术相比，具有以下优点l)SiC陶瓷结合界面的具有低反应性。2) 具有强界面结合特性。在SiC陶瓷与中间层Mo片的界面，由于在高温连接过程中，Mo进入 Ni-Si涂层，可以提升Ni-Si合金在SiC表面的润湿性和铺展速度，消除Ni-Si层内的裂纹， 增加Ni-Si涂层与SiC陶瓷界面的结合强度；在中间层Mo片和高温合金界面，由于采用的 是金属之间的高温扩散焊技术，结合强度高。3)Mo片作中间层有利于缓解残余热应力。4) 工艺相对简单、应用广泛。在陶瓷侧，SiC陶瓷与中间层Mo的连接为高温液相连接工艺； 在金属侧，中间层Mo片与高温合金之间主要为金属之间的扩散焊，甚至还包括瞬间液相连 接，因此，对连接设备和工艺要求较低，且中间层组成相为高温相，可以应用于高温场合。
综上所述，本发明工艺相对简单、经济，可用于大型陶瓷和金属部件的连接和规模 化生产；而且制备的连接件结构可靠，具有优良的耐高温性能，可适用于承载和高温的应用 场合。
图1、图2、图3分别为本发明实施例1制备的SiC陶瓷与可伐合金的接头的剖面 或界面结构图；其中，图l为接头的SiC/Kovar剖面结构图；图2为接头Kovar/Mo界面结构 图；图3为接头Mo/Ni-Si/SiC界面结构图。图中1、可伐合金(Fe-32Ni-15Co) ;2、 Mo片； 3、 Ni-Si涂层；4、 SiC陶瓷件；5、 Kovar/Mo界面形成的界面层；6、 Mo/Ni-Si界面形成的界 面层。
具体实施例方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1 —种SiC陶瓷与可伐合金的连接方法，具体包括以下步骤 (1)制备Ni-Si膏剂先将Ni-56Si合金粉末(Si的原子百分数含量为56at. % )， 加无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，再将Ni-56Si粉末置于玻璃瓶，加入草酸乙 二酯，超声均匀化处理20min，然后往玻璃瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少 30min，即可待用；其中Ni-56Si粉末草酸乙二酯胶棉溶液=4g : 6ml : 8ml。
(2)前处理SiC陶瓷、可伐合金和制作Mo片将等离子活化烧结(PAS)的SiC陶 瓷片，其中陶瓷以6% A1A和4X &03为烧结助剂，尺寸为①15X3mm，依次将其连接面经 过在金刚石磨盘上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘箱内干燥；将可伐合金(Fe-32Ni-15Co) 机械加工成①15X3mm，然后依次将其连接面经过在金刚石磨盘上磨平、抛光、清洗和干燥； 将Mo片加工为①15mmX400 y m的圆片，并依次经过双面抛光、清洗和干燥。
(3)涂敷Ni-Si膏剂将调好的Ni-Si膏剂涂敷在加工、清洗和干燥好的Mo片的 一个表面，待完全晒干或风干。 (4)装配及高温连接将Mo片置于SiC陶瓷和可伐合金的连接面之间，Ni-Si膏 剂层位于Mo片和SiC陶瓷之间，并在附加压力1Kpa的条件下固定，然后置于真空炉内，以 l(TC /min升温速率加热至135(TC，保温10min，再以《5°C /min的降温速率缓慢冷却至室
4温，即可。 参照图1、2、3，采用本实施例制作的接头的显微分析表明在Kovar/Mo和Mo/ Ni-Si界面分别形成一定厚度的界面层，且Ni-Si/SiC界面清晰、光滑，没有明显的反应产
物或反应层。
实施例2 另一种Si/SiC陶瓷与可伐合金的连接方法，具体包括以下步骤
(1)制备Ni-Si膏剂先将Ni-40Si合金粉末(Si的原子百分数含量为40at. % ) 加无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，再将Ni-40Si粉末置于玻璃瓶，加入草酸乙 二酯，超声均匀化处理20min，然后往玻璃瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少 30min，即可待用；其中Ni-40Si粉末草酸乙二酯胶棉溶液=3g : 4ml : 8ml。
(2)前处理SiC陶瓷、可伐合金和制作Mo片将反应烧结Si/SiC陶瓷片，加工成 约①15X5mm陶瓷片，依次将其连接面经过在金刚石磨盘上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘 箱内干燥；将可伐合金(Fe-32Ni-15Co)机械加工成①15 X 3mm，依次将其连接面经过在金 刚石磨盘上磨平、抛光、清洗和干燥；将Mo片加工为①15mmX350iim的圆片，并依次经过双 面抛光、清洗和干燥。 (3)涂敷Ni-Si膏剂在SiC陶瓷的连接面涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干(晒干或 风干)。 (4)装配及高温连接将Mo片置于SiC陶瓷和可伐合金的连接面之间，Ni-Si膏剂 层位于Mo片和SiC陶瓷之间，并在附加压力10Kpa的条件下固定，然后置于真空炉内，真空 度优于1X10—屮a条件下，以l(TC /min升温速率加热至133(TC，保温10min，再以《5°C / min的降温速率缓慢冷却至室温，即可。 采用本实施例制作的接头的显微分析表明在Kovar/Mo和Mo/Ni_Si界面分别形 成一定厚度的界面层，且Ni-Si/SiC界面清晰、光滑，没有明显的反应产物或反应层。
实施例3 —种SiC陶瓷与的Ni基高温合金连接方法，具体包括以下步骤
(1)制备Ni-Si膏剂先将Ni-56Si合金粉末(Si的原子百分数含量为56at. % ) 加无水乙醇，滚混球磨72h，烘干，过200目筛，再将Ni-40Si粉末置于玻璃瓶，加入草酸乙 二酯，超声均匀化处理20min，然后往玻璃瓶内加入胶棉溶液(火棉胶)，用玻璃棒搅拌至少 30min，即可待用；其中Ni-56Si粉末草酸乙二酯胶棉溶液=3g : 4ml : 6ml。
(2)前处理SiC陶瓷、Ni基高温合金和制作Mo片将等热等静压(HIP)烧结而成 的SiC陶瓷棒，以1% A1203为烧结助剂，切割后成约①15X3mm陶瓷片，依次将其连接面经 过在金刚石磨盘上磨平、抛光、无水乙醇清洗和烘箱内干燥；将Ni基高温合金(IN738LC)机 械加工成①15X3mm，然后依次将其连接表面经过在金刚石磨盘上磨平、抛光、清洗和干燥； 将Mo片加工为①15mmX300 y m的圆片，并依次经过双面抛光、清洗和干燥。
(3)涂敷Ni-Si膏剂在SiC陶瓷的连接面涂敷Ni-Si膏剂层，然后风干。
(4)装配将Mo片置于SiC陶瓷和Ni基高温合金的连接面之间，Ni-Si膏剂层位 于Mo片和SiC陶瓷之间，并在附加压力1Kpa的条件下固定。 (5)高温连接按照上述步骤(1) (4)准备2个试样；然后，分别置于真空炉内， 真空度优于1 X 10—屮a条件下，以10°C /min升温速率分别加热至133(TC和1400°C ，并分别
5保温30min和5min，再以《5°C /min的降温速率缓慢冷却至室温，即可。
采用本实施例制作的接头的显微分析表明在IN738LC/Mo和Mo/Ni-Si界面分别 形成一定厚度的界面层，且Ni-Si/SiC界面清晰、光滑，没有明显的反应产物或反应层。
尽管以上实施例对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具 体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的 普通技术人员在本说明书的启示下，所述的高温金属还包括能够与Mo—片高温扩散连接的 其他Ni基、Co基、Nb基、Fe基等合金，这些均属于本发明保护之列。
权利要求
一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，其特征在于，包括以下步骤(1)制备Ni-Si膏剂将Ni-Si合金粉末滚混球磨、过筛，装入玻璃瓶中，再加入草酸乙二酯和胶棉溶液，搅拌至少30min，制成Ni-Si膏剂，待用；(2)前处理SiC陶瓷、高温合金和制作Mo片将SiC陶瓷的连接面依次磨平、抛光、清洗和干燥；将高温合金的连接面依次磨平、清洗和干燥；再裁剪加工Mo片与SiC陶瓷的连接面大小相适应，并清洗和干燥；(3)涂敷Ni-Si膏剂在SiC陶瓷的连接面涂敷Ni-Si膏剂层，或在Mo片的一个表面涂敷Ni-Si膏剂层，然后晾干；(4)装配及高温连接将Mo片置于SiC陶瓷和高温合金的连接面之间，Ni-Si膏剂层位于Mo片和SiC陶瓷之间，并施压固定，然后在真空炉中加热至1330～1400℃，保温5～30min，冷却至室温，即可。
2. 根据权利要求1所述的一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，其特征在于，所述制备Ni-Si合金膏剂中，Ni-Si合金粉末草酸乙二酯胶棉溶液的配比为(3 4)g : (4 6)ml : (6 8)ml。
3. 根据权利要求l所述的一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，其特征在于，所述 Ni-Si合金粉末中Si的原子百分数含量为40at. % 60at. %。
4. 根据权利要求1所述的一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，其特征在于，所述高温 合金包括可伐合金、Ni基高温合金。
全文摘要
本发明涉及陶瓷与高温合金的连接方法，公开了一种SiC陶瓷与高温合金的连接方法，具体包括以下步骤(1)制备Ni-Si膏剂；(2)前处理SiC陶瓷、高温合金和制作Mo片；(3)涂敷Ni-Si膏剂；(4)装配及高温连接。本发明可实现SiC陶瓷与高温合金之间的低反应高温连接，并且工艺简单、经济，可规模化生产，制备的连接件结构可靠，可用于承载和高温应用的场合。
文档编号C04B37/02GK101717270SQ200910219188
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者乔冠军, 刘桂武, 卢天健, 帕索里尼·阿尔贝托, 瓦伦扎·法必西欧, 默罗·玛丽亚·路易贾 申请人:西安交通大学