本發明涉及金屬與陶瓷連接技術，具體涉及用于對多孔陶瓷與金屬進行連接的一種多孔陶瓷與金屬的釬焊方法，該方法可以應用于各種涉及到多孔陶瓷與金屬連接件的制造領域，大大優化接頭力學性能。
背景技術：
目前，多孔陶瓷因其兼具了優良的機械性能和獨特的多孔結構以及透波性等物理性能而被廣泛的應用于航空航天以及軍工等領域，而它們在使用過程中往往需要與輕質高強度高溫合金進行有效的連接。然而陶瓷與金屬之間的熱膨脹系數和楊氏模量等存在較大的差異，在連接過程中熔融的液態釬料會在多孔陶瓷的毛細作用下進入陶瓷的孔洞中，形成滲入層，而由于金屬與陶瓷之間較大的熱膨脹系數和彈性模量的差異，使得釬縫、滲入層、陶瓷母材之間在降溫過程中產生了較大的殘余應力，這種內應力的存在將導致裂紋等缺陷的形成，進而降低釬焊接頭的強度。
技術實現要素：
為了克服上述技術問題并改善多孔陶瓷與金屬連接接頭的性能，本發明提供了一種能夠實現多孔陶瓷與金屬之間更有效的高強度連接方法，并且能得到力學性能優良的接頭，為了使多孔陶瓷與金屬之間的到更有效的高強度連接，本發明引入并應用了化學成分包括但不限于氧化釔粉末、氧化硅粉末、氧化鋁粉末和納米α-si3n4顆粒的涂料來致密化多孔陶瓷表面的思路，在不影響多孔陶瓷的實際使用性能的情況下起到優化多孔陶瓷吸水率，提高強度，減小多孔表面上孔與孔中填充物間的熱膨脹系數差異，改善接頭力學性能的重要作用。
為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
一種多孔陶瓷與金屬的釬焊方法，步驟為：
1）多孔陶瓷基體預處理：將多孔陶瓷用200#、400#、800#sic砂紙由粗到細逐級打磨至其表面平整光滑，超聲清洗，清洗完畢后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h；
2）致密化涂料制備：致密化涂料成分包括氧化釔粉末、氧化硅粉末、氧化鋁粉末和納米α-si3n4顆粒；
3）使用氣動霧化噴槍將步驟2）中的致密化涂料均勻的噴涂在步驟1）中預處理過的多孔陶瓷表面，噴涂次數為2~3次，保持涂層厚度在50~100μm之間；
4）將步驟3）中將噴涂好的多孔陶瓷放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h；
5）將步驟4）中處理后的多孔陶瓷放入燒結爐中進行燒結，在保護氣氣氛中加熱至1400℃~1600℃，優選1500℃~1600℃；保溫30min~90min，優選60min~90min，使噴涂過的表面形成致密化涂層；
6）釬料粉制備：按照金屬與多孔陶瓷的種類選擇并制備相應釬料；
7）釬焊接頭裝配：將步驟6）中制備完成的釬料粉與步驟5）中完成表面致密化的多孔陶瓷和金屬進行按照：多孔陶瓷、釬料粉、金屬的順序從上而下進行裝配，保持釬料粉厚度在50~200μm之間；
8）將步驟7）中裝配完成的釬焊接頭放入真空爐中，在真空環境下加熱至750℃~950℃，優選840℃~920℃；保溫時間不大于30min，優選5min~30min。
和現有技術相比，本發明具有以下優點：
1.所配制的致密化涂料在多孔陶瓷表面燒結之后對多孔陶瓷表面上微孔的填充效果良好，且表面致密化后能防止液相繼續向多孔陶瓷內部滲透，保證了多孔陶瓷的性能。
2.使用本發明中的表面致密化方法處理后的多孔陶瓷，其表面孔與孔中填充物間的熱膨脹系數差異減小，能夠減小釬焊后的接頭殘余應力。
3.使用本發明中的表面致密化方法處理后的多孔陶瓷，其表面對于釬料的潤濕性優于沒有經過致密化處理的多孔陶瓷，有利于后續釬焊過程的進行，并且提高了得到的釬焊接頭的性能。
4.本發明方法能夠滿足在多孔陶瓷實際應用中，要求多孔陶瓷表層是致密的，以保證其性能受外界環境因素影響盡可能小，又保證了其內部仍然是多孔結構，自身獨特的物理性能幾乎不變。
本發明步驟1)中多孔陶瓷包括多孔氮化硅陶瓷、多孔氮化鋁陶瓷、多孔氧化鋁陶瓷，本發明可以實現上述多孔陶瓷與金屬的有效連接。
本發明步驟2）中致密化涂料的具體配制方法為將氧化釔粉末、氧化硅粉末和氧化鋁粉末按照重量份數為：y2o3:sio2:al2o3=(3~6):(2~3):(2~3)制成混合粉末，將所述的混合粉末與納米α-si3n4顆粒按比例混合制成致密化涂料粉末，所述致密化涂料粉末中納米α-si3n4顆粒的質量分數為10~20wt.%，將所述的致密化涂料粉末機械球磨8~12h，然后丙酮為介質制成致密化涂料。
本發明步驟6)和步驟7)中金屬種類包括鈦合金、鈦鋁合金、鋼、鎳基合金，本發明可以實現多孔陶瓷與上述金屬的有效連接。
本發明步驟6)中使用的釬料種類包括ag基釬料、cu基釬料、ni基釬料。
本發明步驟3)中氣動霧化噴槍采用壓縮空氣為氣源，氣體壓力為0.25~0.5mpa，噴嘴直徑為0.3~0.5mm，噴涂寬度15~30mm，噴涂距離50~150mm。
本發明步驟7)中金屬和經步驟5)得到的多孔陶瓷母材的待焊面進行打磨，并進行超聲清洗15min~20min。
本發明步驟8)中，為保證釬料與母材之間的充分接觸，在裝配件正上方施加0.5mpa~2mpa的軸向壓力，優選施加1.5mpa的軸向壓力，釬焊過程中保證爐內真空度為1×10-2~1×10-4pa，釬焊升溫速率為5℃/min~10℃/min，冷卻速率為1℃/min~5℃/min。
進一步，本發明步驟1）中多孔氮化硅陶瓷的孔隙率為45%~60%
進一步，本發明步驟2）中納米si3n4顆粒的尺寸為20nm~50nm。
進一步，本發明步驟2）中氧化釔粉末、氧化硅粉末、氧化鋁粉末質量重量比優選為y2o3:sio2:al2o3=4:3:3。本發明步驟2)和步驟6)中球磨罐為瑪瑙罐，所用球磨球為瑪瑙球。
本發明步驟6）中優選將ti粉與agcu粉末混合后進行機械球磨4~6h，，得到agcuti釬料，其中ti粉的質量分數為2~8wt.%，余量為agcu粉末，這一過程中優選ti粉和agcu共晶粉末的尺寸為10μm~50μm。
本發明利用在多孔陶瓷表面燒結上一定成分的致密化涂料使陶瓷表面致密化，優化了該表面的強度、吸水率以及熱脹系數差異，使得多孔陶瓷與金屬之間高強度的連接更加有效，得到的釬焊接頭的力學性能優良，有利于多孔陶瓷與金屬釬焊接頭的推廣應用。
附圖說明
圖1為采用本發明方法獲得的多孔氮化硅陶瓷與鈦鋁基合金接頭界面顯微組織照片。
具體實施方式
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
一種多孔陶瓷與金屬的釬焊方法，
1）選取多孔陶瓷基體，用200#、400#、800#sic砂紙由粗到細逐級打磨至表面平整光滑，經由拋光處理后超聲清洗15~30min，清洗完畢后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h；
2）將化學成分包括但不限于氧化釔粉末、氧化硅粉末、氧化鋁粉末和納米α-si3n4顆粒的致密化涂料配制好，以丙酮溶液為介質制成致密化涂料，
3）用氣動霧化噴槍將制成的致密化涂料均勻的噴涂預處理過的多孔陶瓷表面，噴涂次數為2~3次，保持涂層厚度在50~100μm之間，
4）將噴涂好的多孔陶瓷放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h，
5）將經步驟四處理后的多孔陶瓷放入燒結爐中進行燒結，在保護氣氣氛中加熱至1400℃~1600℃，保溫30min~90min，使噴涂過的表面形成致密化涂層；
6）按照金屬與多孔陶瓷的種類選擇并制備相應釬料；
7）將步驟6）中得到的釬料與預處理后的表面致密化的多孔陶瓷和金屬按多孔陶瓷、釬料粉、金屬的順序從上到下進行裝配，保持釬料粉厚度在50~200μm之間；
8）將裝配好的釬焊接頭放入真空爐中，在真空環境下加熱至750℃~950℃，保溫時間不大于30min，優選5min~30min。
步驟2）中致密化涂料的具體配制方法包括但不限于將氧化釔粉末、氧化硅粉末和氧化鋁粉末按照重量份數為：y2o3:sio2:al2o3=(3~6):(2~3):(2~3)，將所述的混合粉末與納米α-si3n4顆粒按比例混合制成致密化涂料粉末，所述致密化涂料粉末中納米α-si3n4顆粒的質量分數為10~20wt.%，將所述的致密化涂料粉末機械球磨8~12h，然后丙酮為介質制成致密化涂料。
步驟3）中氣動霧化噴槍采用壓縮空氣為氣源，氣體壓力為0.25~0.5mpa，噴嘴直徑為0.3~0.5mm，噴涂寬度15~30mm，噴涂距離50~150mm。
步驟7）中金屬和經步驟五得到的多孔陶瓷母材的待焊面用200#、400#、800#sic砂紙進行打磨，并在丙酮溶液中超聲清洗15min~20min；步驟8）中，為保證釬料與母材之間的充分接觸，在裝配件正上方施加0.5mpa~2mpa的軸向壓力；釬焊過程中保證爐內真空度為10-2~10-4pa，釬焊升溫速率為5℃/min~10℃/min，冷卻速率為1℃/min~5℃/min；步驟8）中裝配件上方施加1.5mpa的軸向壓力，釬焊過程中保證爐內真空度為10-4pa，釬焊升溫速率為10℃/min，冷卻速率為1℃/min。
實施例1：
步驟一、選取孔隙率為45%的多孔氮化硅陶瓷基體，用200#、400#、800#sic砂紙由粗到細逐級打磨至表面平整光滑，拋光處理后放入丙酮溶液中超聲清洗15~30min，清洗完畢后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h。
步驟二、將氧化釔粉、氧化硅粉、氧化鋁粉末與納米si3n4顆粒按一定比例混合，其中納米α-si3n4顆粒的尺寸為20~50nm，質量分數為10wt.%，y2o3、sio2、al2o3原料粉末中，各物質質量比為y2o3:sio2:al2o3=(3~6):(2~3):(2~3)，進行機械球磨8~12h，以丙酮溶液為介質制成致密化涂料。
步驟三、用氣動霧化噴槍將制成的致密化涂料均勻的噴涂預處理過的多孔氮化硅陶瓷表面，噴涂次數為2次，保持涂層厚度在50~100μm之間。
步驟四、將噴涂好的多孔氮化硅陶瓷放入干燥箱中，在50℃下干燥6~10h，
步驟五、將經步驟四處理后的多孔氮化硅陶瓷放入燒結爐中進行燒結，在n2氣氛中加熱至1500℃，保溫60min，得到表面致密化層。燒結過程具體為800℃以下升溫速率為10℃/min，800℃~1300℃升溫速率為5℃/min，1300℃以上升溫和降溫速率均為3℃/min，1300℃~800℃降溫速率為5℃/min，到達800℃之后隨爐冷卻至室溫；
步驟六、將尺寸為10μm~50μm，質量分數為2wt.%的ti粉與agcu粉末進行機械球磨4~6h，得到agcuti釬料；
步驟七、鈦鋁基合金和多孔氮化硅母材的待焊面用200#、400#、800#sic砂紙進行打磨，并在丙酮溶液中超聲清洗15min~20min。將球磨后的agcuti釬料與預處理后的表面致密化的多孔氮化硅陶瓷和鈦鋁基合金進行裝配，保持釬料粉厚度在50μm。
步驟八、為保證釬料與母材之間的充分接觸，在裝配件上方施加0.5mpa的軸向壓力，將裝配好的釬焊接頭放入真空爐中，在真空度1×10-2~1×10-4pa環境下以升溫速率為5℃/min加熱至840℃，保溫5min，再以1℃/min的冷卻速率冷卻至室溫。
實施例2：步驟一、選取孔隙率為60%的多孔氮化硅陶瓷基體，用200#、400#、800#sic砂紙由粗到細逐級打磨至表面平整光滑，拋光處理后放入丙酮溶液中超聲清洗15~30min，清洗完畢后放入干燥箱中，在50℃~100℃下干燥6~10h；
步驟二、將氧化釔粉、氧化硅粉、氧化鋁粉末與納米si3n4顆粒按一定比例混合，其中納米α-si3n4顆粒的尺寸為20~50nm，質量分數為20wt.%，y2o3、sio2、al2o3原料粉末中，各物質質量比為y2o3:sio2:al2o3=(3~6):(2~3):(2~3)，進行機械球磨8~12h，以丙酮溶液為介質制成致密化涂料，
步驟三、用氣動霧化噴槍將制成的致密化涂料均勻的噴涂預處理過的多孔氮化硅陶瓷表面，噴涂次數為3次，保持涂層厚度在50~100μm之間，
步驟四、將噴涂好的多孔氮化硅陶瓷放入干燥箱中，在100℃下干燥6~10h，
步驟五、將經步驟四處理后的多孔氮化硅陶瓷放入燒結爐中進行燒結，在n2氣氛中加熱至1600℃，保溫90min，得到表面致密化層。燒結過程具體為800℃以下升溫速率為10℃/min，800℃~1300℃升溫速率為5℃/min，1300℃以上升溫和降溫速率均為3℃/min，1300℃~800℃降溫速率為5℃/min，到達800℃之后隨爐冷卻至室溫；
步驟六、將尺寸為10μm~50μm，質量分數為8wt.%的ti粉與agcu粉末進行機械球磨4~6h，得到agcuti釬料；
步驟七、鈦鋁基合金和多孔氮化硅母材的待焊面用200#、400#、800#sic砂紙進行打磨，并在丙酮溶液中超聲清洗15min~20min。將球磨后的agcuti釬料與預處理后的表面致密化的多孔氮化硅陶瓷和鈦鋁基合金進行裝配，保持釬料粉厚度在200μm。
步驟八、為保證釬料與母材之間的充分接觸，在裝配件上方施加2mpa的軸向壓力，將裝配好的釬焊接頭放入真空爐中，在真空度1×10-2~1×10-4pa環境下以升溫速率為10℃/min加熱至900℃，保溫30min，再以5℃/min的冷卻速率冷卻至室溫。
實施例3：
本實施例與實施例1的不同點在于步驟一中多孔氮化硅的孔隙率為50%。其它步驟與具體實施例1相同。
實施例4:
本實施例與實施例2的不同點在于步驟二中納米氮化硅顆粒的質量百分比為15wt.%，步驟六中ti粉的質量百分比為4wt.%。其它步驟與具體實施例2相同。
實施例5:
本實施例與實施例2的不同點在于步驟五中燒結溫度為1550℃，保溫時間為75min。其它步驟與具體實施例2相同。
實施例6:
本實施例與實施例1的不同點在于步驟七中釬料粉厚度為100μm。其它步驟與具體實施例1相同。
實施例7:
本實施例與實施例2的不同點在于步驟八中裝配件上方施加的軸向壓力為1.5mpa。其它步驟與具體實施例2相同。
實施例8：
本實施例與實施例7的不同點在于步驟八中升溫速率為6℃/min，保溫時間為60min。其它步驟與具體實施例7相同。
實施例9:
本實施例與實施例2的不同點在于步驟八中釬焊工藝參數為釬焊溫度為880℃，保溫時間為20min，后以3℃/min冷卻至室溫。其它步驟與具體實施例2相同。
實施例10：
本實施例與實施例2的不同點在于步驟八中釬焊工藝參數為釬焊溫度為860℃，保溫時間為10min，后以3℃/min冷卻至室溫。其它步驟與具體實施例2相同。
實施例11：
本實施例與實施例1的不同點在于步驟八中釬焊工藝參數為釬焊溫度為900℃，保溫時間為10min，后以5℃/min冷卻至室溫。其它步驟與具體實施例1相同。
實施例12：
本實施例與實施例7的不同點在于步驟八中，釬焊過程中保證爐內真空度為10-4pa，釬焊升溫速率為8℃/min，冷卻速率為2℃/min。其它步驟與具體實施例7相同。
表1。
以上對本發明實施例所提供的一種多孔陶瓷與金屬的釬焊方法，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。