一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法技術

本發明專利技術公開了一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，通過引入一種石墨烯強化的短纖維三維編織，呈疏松、多孔結構的陶瓷基復合材料中間層輔助復合材料與金屬的釬焊連接。從而解決現有陶瓷與金屬熱膨脹系數不匹配度較大導致釬焊接頭殘余應力過高、陶瓷增強相的引入量少，且使得焊縫脆性加劇的問題。且使得焊縫脆性加劇的問題。且使得焊縫脆性加劇的問題。

【技術實現步驟摘要】
一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法


[0001]本專利技術涉及一種中間層輔助釬焊的方法。本專利技術涉及復合材料
，尤其涉及一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法。

技術介紹

[0002]陶瓷基復合材料(ceramic matrix composite，簡稱CMCs)具有耐高溫、耐氧化、耐腐蝕以及高強度、高剛度、低密度等優良性能，在航空航天、機械、汽車等領域有著廣闊的應用前景。
[0003]迄今為止，陶瓷基復合材料的開發和應用已有60多年的歷史進程：纖維增強塑料
→
氧化鋁陶瓷
→
微晶玻璃
→
石英陶瓷
→
氮化物陶瓷，演變至今的連續纖維增強陶瓷基透波復合材料。連續纖維增強陶瓷基復合材料憑借其高溫下的表面強度高以及較高的斷裂韌性，被認為是用于先進航空發動機、空間和聚變動力堆的潛在材料。但纖維增強復合材料可加工性差，很難制備成大尺寸、復雜形狀的結構件，因此，復合材料需要通過與金屬進行連接才能夠實現廣泛應用。
[0004]當采用活性釬焊的方法對陶瓷基復合材料與金屬進行連接時，由于復合材料與金屬或活性釬料間熱膨脹系數不匹配，從而導致接頭中產生較大殘余應力，降低接頭強度。目前，學者們針對陶瓷基復合材料與金屬所形成釬焊接頭的殘余應力的研究發現：向釬料中加入納米顆粒相可以緩解殘余應力，但納米顆粒相的添加量十分有限(<6～8wt.％)，然而，添加量過多，納米顆粒相會在焊縫中團聚，因此，添加納米顆粒相緩解殘余應力十分有限。還有學者引入短纖維編織的陶瓷材料作為中間層能夠滿足短纖維大量加入釬料中，但在釬焊過程中，短纖維與活性釬料發生過度反應導致復合材料的三維編織結構發生坍塌，反應形成的化合物顆粒相發生偏聚，降低接頭強度。

技術實現思路

[0005]本申請實施例通過提供一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，采用呈疏松、多孔結構的石墨烯強化短纖維編織材料作為中間層，輔助釬焊，可以使大量短纖維在焊縫中彌散分布，且中間層能夠保持完整編織結構，從而解決現有陶瓷與金屬熱膨脹系數不匹配度較大導致釬焊接頭殘余應力過高、陶瓷增強相的引入量少，且使得焊縫脆性加劇的問題，有效緩解釬焊殘余應力，提高釬焊強度，實現復合材料與金屬的高質量連接。
[0006]本申請實施例提供了一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，利用石墨烯強化的短纖維編織復合材料作為中間層，進行輔助釬焊，具體步驟包括：
[0007]步驟一：將三維編織的短纖維浸入液態熔石英中，所述短纖維為SiO2纖維或Al2O3纖維，靜置5～20min，然后在溫度400～800℃的條件下，真空退火時間為2～5h，以上過程重復2～5次，得到退火后的短纖維編織的復合材料；將短纖維編織的復合材料切割成厚50～200μm的薄片狀，優選采用金剛石線切割機對所述短纖維編織的復合材料進行切割；
[0008]步驟二：將所述薄片狀的復合材料浸泡在濃度為0.01mol/L～0.2mol/L的催化劑
溶液中，所述催化劑為金屬硝酸鹽溶液，在空氣中晾干后，采用PECVD法進行氣相沉積，進一步的，所述氣相沉積過程中，加熱溫度為500～800℃，在加熱溫度下，設置壓強，壓強值在400～1000Pa，并開始射頻，射頻時間10～60min，Ar和CH4的氣體流量比為2～20，射頻功率100～200W，從而獲得石墨烯強化的短纖維編織復合材料；需要說明的是，所述PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)是指等離子體增強化學的氣相沉積法；
[0009]步驟三：用砂紙對待焊金屬、待焊陶瓷基復合材料、釬料箔片進行打磨，為了進一步去除表面雜質還可以采用化學清洗劑再清洗干凈，漂洗晾干后，按待焊復合材料、釬料箔片及上述制備的石墨烯強化的復合材料中間層、釬料箔片及待焊金屬的順序依次疊放后，置于真空爐中進行釬焊，釬焊溫度為550～1300℃，保溫時間為5～30min，最后隨爐降溫，即焊接完成。
[0010]優選的，步驟一中，所述的復合材料中間層的厚度為50～200μm，且厚度以25μm為一個單位。
[0011]優選的，步驟二中，所述催化劑溶液為Ni(NO3)2、Fe(NO3)3或Cu(NO3)2中的任意一種。
[0012]優選的，步驟二中，所述的催化劑濃度為0.05mol/L～0.2mol/L。
[0013]優選的，步驟二中，所述的加熱溫度為600℃。
[0014]優選的，步驟二中，所述的射頻時間為10～40min。
[0015]優選的，步驟三中，所述的釬料箔片為AgCuTi釬料箔片、AgCu釬料箔片、TiZrNiCu釬料箔片、BNi2釬料箔片、BNi5釬料箔片或AlSi12釬料箔片。
[0016]優選的，步驟三中，所述釬料箔片厚度優選100μm。
[0017]優選的，步驟三中，所述的釬焊溫度為600～1140℃。
[0018]本申請實施例中提供的一種或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
[0019]本專利技術提供的一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，通過引入石墨烯強化短纖維三維編織，制備出呈疏松、多孔結構的石墨烯強化的短纖維編織的復合材料，利用石墨烯強化的短纖維編織復合材料作為中間層輔助釬焊，簡單、高效、效果明顯；
[0020]在現有技術中中間層輔助釬焊的方法，采用的是向釬料中加入納米顆粒相硼砂或石墨烯，通過在釬焊過程中形成納米顆粒相化合物來緩解殘余應力，然而，納米顆粒相的添加量十分有限，緩解殘余應力的效果也十分有限，雖然能夠滿足短纖維大量加入釬料中，但短纖維與活性釬料過度導致中間層反應發生坍塌，接頭強度不高；本專利技術采用上述石墨烯強化短纖維三維編織材料作為中間層輔助釬焊，可將二者的優勢集于一身，既能夠保證短纖維大量添加，滿足大量短纖維在焊縫中彌散分布，從而使接頭中形成良好的熱脹系數梯度過度，具體是指金屬(12～17
×
10
?6K
?1)、釬料(5～8
×
10
?6K
?1)和復合材料(1～2
×
10
?6K
?1)三者之間的熱脹系數有一個良好的梯度過度，且中間層結構完整，有效緩解接頭殘余應力，從而提高接頭強度，實現復合材料與金屬的高質量連接。
附圖說明
[0021]圖1為本申請實施例一中SiO
2f
/SiO2復合材料表面生長石墨烯的微觀形貌；
[0022]圖2為本申請實施例一中SiO
2f
/SiO2復合材料與TC4接頭微觀組織；
[0023]圖3為本申請對比例一中SiO
2f
/SiO2復合材料與TC4接頭微觀組織；
[0024]圖4為本申請實施例一和對比例一釬焊材料疊放順序示意圖。
具體實施方式
[0025]為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一：將三維編織的短纖維浸入液態熔石英中，所述三維編織的短纖維為SiO2纖維和Al2O3纖維，靜置5～20min，然后在溫度400～800℃的條件下，真空退火時間為2～5h，以上過程重復2～5次，得到退火后的短纖維編織的復合材料，再將塊狀的陶瓷基復合材料加工成薄片狀；步驟二：采用PECVD法在步驟一獲得的薄片狀短纖維編織復合材料表面生長石墨烯，獲得石墨烯強化的復合材料；步驟三：將石墨烯強化的復合材料作為中間層輔助釬焊，釬焊過程中按待焊復合材料、釬料箔片、石墨烯強化中間層、釬料箔片及待焊金屬的順序依次疊放，置于真空爐中進行釬焊，最后隨爐降溫。2.權利要求1所述的一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，其特征在于，步驟一中，所述薄片狀的復合材料厚度范圍50～200μm。3.權利要求1所述的一種用于輔助陶瓷基復合材料與金屬的釬焊的方法，其特征在于，步驟二具體操作包括：將薄片狀的復合材料浸泡在濃度為0.01mol/L～0.2mol/L的催化劑溶液中，所述催化劑為金屬硝酸鹽溶液，在空氣中晾干后，置于PECVD爐中加熱，加熱溫度為500～800℃，在加熱溫度下，設置壓強，壓強值在400～1000Pa，并開始射頻，射頻時間10～60min，A...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬薔，陳永威，李升國，
申請(專利權)人：江蘇科技大學，
類型：發明
國別省市：