一種硅基陶瓷表面金屬化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅基陶瓷表面金屬化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基陶瓷以其優(yōu)異的化學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能而具有重要的工業(yè)和軍事應(yīng)用前景，是最具潛力的結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一。然而由于硅基陶瓷材料本身固有的脆性和硬度而帶來的制備技術(shù)上的困難，特別是成型和加工技術(shù)是制約硅基陶瓷器件大型化、形狀復(fù)雜化和高可靠性應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷連接技術(shù)是硅基陶瓷實用化的有效手段，它一方面使復(fù)雜部件的制備成為可能，另一方面可大幅度地降低昂貴的加工費用。
[0003]硅基陶瓷通常采用合金釬料進行連接，但是在連接過程中，由于硅基陶瓷具有大量的共價鍵，使一般合金釬料難以對其進行潤濕。與此同時，由于釬料合金與被焊材料間物理化學(xué)性能不匹配使得焊后接頭殘余熱應(yīng)力大，會導(dǎo)致接頭從連接界面剝離而開裂，造成連接界面結(jié)合強度低、焊接構(gòu)件可靠性差等問題。因此，采用合適的方法對硅基陶瓷表面金屬化并緩解焊后接頭殘余熱應(yīng)力具有重要意義。
[0004]在釬焊過程中，常見的硅基陶瓷表面金屬化方法有化學(xué)鍍Ni法、電鍍Ni法、燒結(jié)被Ag法、Mo-Mn法以及真空蒸發(fā)鍍膜法；由于硅基陶瓷熱膨脹系數(shù)較低，其與熱膨脹系數(shù)相差較大的金屬連接往往在焊后產(chǎn)生巨大的殘余熱應(yīng)力。通過將陶瓷成分與金屬成分按不同比例配比的梯度中間層可以在一定程度上緩解應(yīng)力，提高接頭的連接強度。如Schwartz M M將12種成分不斷變化的W和Al2O3的混合粉末燒結(jié)實現(xiàn)了熱交換器圓柱體A1203/W的連接，具體過程為:將12種混合粉末逐層鋪填到模具中，產(chǎn)生12種成分由95%W-5% Al2O3到100% Al 203的梯度粉末疊層，之后該疊層置于被焊母材之間，形成成分連續(xù)變化的梯度材料結(jié)構(gòu)以使熱膨脹系數(shù)逐漸變化，Schwartz M M.Ceramic Joining.ASMInternat1nal, Materials Park, Oh1, 1990 ;但是該方法工藝繁雜，連接部件難以進行精確組裝，因此工藝難控制；且對于很多被焊陶瓷/金屬的組合，由于彼此相容性的原因，根本不適合中間若干個混合粉末過渡層的燒結(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中硅基陶瓷表面金屬化方法復(fù)雜，硅基陶瓷表面與合金釬料的相容性差、硅基陶瓷與被連接材料連接界面殘余應(yīng)力高、合金釬料對硅基陶瓷的潤濕性差、連接構(gòu)件與硅基陶瓷連接強度和可靠性低的問題，提供一種硅基陶瓷表面金屬化方法。
[0006]本發(fā)明所述的硅基陶瓷表面金屬化方法按照以下步驟進行:
[0007]步驟一、制備T1-Si合金釬料
[0008]按重量百分比，稱取72%?78V0海綿Ti和余量的單晶Si，將稱取的海綿Ti和單晶Si放入非自耗電弧爐中真空熔煉至釬料為均勻共晶組織，得到T1-Si合金釬料；所述的海綿Ti的純度>99.97% ;所述的單晶Si的純度>99.99% ;
[0009]步驟二、制備T1-Si合金釬料薄片
[0010]用電火花線切割機器，將步驟一得到的T1-Si合金釬料切成厚度為0.5mm?Imm的T1-Si合金釬料片，然后用1200#砂紙對T1-Si合金釬料片進行雙面打磨，以去除氧化皮，最后在丙酮中超聲清洗兩次，每次1min?20min ；
[0011]步驟三、硅基陶瓷去氧化層處理
[0012]用1200#砂紙對硅基陶瓷表面進行單面打磨，以去除氧化層，最后在丙酮中超聲清洗兩次，每次1min?20min ;所述的硅基陶瓷為Si3N4陶瓷、SiAlON陶瓷、Si 2N20陶瓷、SiC陶瓷、SiBCN陶瓷中一種或其中兩種復(fù)合而成的硅基陶瓷；
[0013]所述的硅基陶瓷為經(jīng)長切纖維、短切纖維、晶須、納米管、納米線、石墨烯、納米顆粒增強增韌的硅基陶瓷；所述的納米顆粒為適用于硅基陶瓷的納米顆粒。
[0014]步驟四、硅基陶瓷表面金屬化
[0015]然后將步驟二得到的T1-Si合金釬料薄片放置于硅基陶瓷打磨表面上，并放入真空釬焊爐中，在真空釬焊爐中真空度達到7.0X 10 2Pa?1.5 X 10 2Pa后，先以20°C /min?400C /min升溫速率升溫至1000°C?1100°C，再以10°C /min?30°C /min升溫速率升溫至138CTC?143CTC并保溫1min?30min，然后以10°C /min?40°C /min的冷卻速率降溫至300°C?500°C，最后關(guān)掉電源自然冷卻至室溫，即得到表面金屬化后的硅基陶瓷；
[0016]本發(fā)明所述的方法具備以下有益效果:
[0017]一、本發(fā)明方法是通過對硅基陶瓷表面金屬化處理，硅基陶瓷表面成鍵性質(zhì)由共價鍵向金屬鍵轉(zhuǎn)變，使得硅基陶瓷的表面性質(zhì)親金屬，從而提高其與合金釬料的相容性及合金釬料對硅基陶瓷的潤濕性，并且潤濕角始終平均穩(wěn)定在17°左右，使合金釬料更容易與硅基陶瓷可靠連接，減少硅基陶瓷基體溶解，進而提高了硅基陶瓷和其它材料的連接強度和連接的可靠性，測試得到接頭剪切強度為60?70MPa ;
[0018]二、經(jīng)本發(fā)明方法表面金屬化硅基陶瓷具備金屬和陶瓷兩種特征，即金屬化層中金屬鍵共價鍵離子鍵共存，熱膨脹系數(shù)介于金屬與陶瓷之間，可以有效的緩解接頭殘余應(yīng)力；
[0019]三、本發(fā)明方法利用Ti具有活性的特點，能夠潤濕絕大多數(shù)陶瓷，以共晶成分的鈦硅為原料對硅基陶瓷表面金屬化處理，不受硅基陶瓷種類、復(fù)合材料及尺寸約束，可在硅基陶瓷表面形成均勻分布的金屬化層，在硅基陶瓷經(jīng)本發(fā)明方法金屬化后進行釬焊時，可以使用不含活性元素的合金釬料，且可以選用的合金釬料釬焊的溫度選擇范圍較廣，包括低溫軟釬料，也包括高溫硬釬料；
[0020]四、本發(fā)明方法工藝簡單，可重復(fù)性高，適用于高溫釬焊，可對大尺寸、粗糙表面的試樣進行表面金屬化處理，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，具有極好的工業(yè)化應(yīng)用前景；
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1中T1-Si合金釬料在(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷表面潤濕的金相圖；
[0022]圖2為實施例1、2和3中T1-Si合金釬料在(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷表面金屬化的工藝曲線；
[0023]圖3為實施例2中兩塊經(jīng)T1-Si合金釬料金屬化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷連接接頭的SEM圖;
[0024]圖4為實施例2和3中經(jīng)T1-Si合金釬料金屬化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷連接工藝曲線；
[0025]圖5為實施例2制備的試樣的斷口照片；
[0026]圖6為實施例3制備的經(jīng)T1-Si合金釬料金屬化后的(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷與Mo片連接接頭的SEM圖；
[0027]圖7為實施例1中采用T1-Si合金釬料對(Cf/SiCf) SiBCN陶瓷金屬化組裝示意圖，圖中I為T1-Si合金釬料，2為打磨表面，3為硅基陶瓷；
[0028]圖8為實施例2中驗證T1-Si合金釬料對硅基陶瓷的連接性的組裝示意圖，圖中I為硅基陶瓷，2為硅基陶瓷金屬化層；
[0029]圖9為實施例3中探討T1-Si合金釬料與高溫金屬的連接性試驗的組裝示意圖，圖中I為鉬片，2為T1-Si合金釬料，3為硅基陶瓷金屬化層，4為硅基陶瓷。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意合理組合。
[0031]【具體實施方式】一:本實施方式硅基陶瓷表面金屬化方法，按以下步驟實現(xiàn):
[0032]步驟一、制備T1-Si合金釬料
[0033]按重量百分比，稱取72%?78V0海綿Ti和余量的單晶Si，將稱取的海綿Ti和單晶Si放入非自耗電弧爐中真空熔煉至釬料為均勻共晶組織，得到T1-Si合金釬料；
[0034]步驟二、制備T1-Si合金釬料薄片
[0035]用電火花線切割機器，將步驟一得到的T1-Si合金釬料切成厚度為0.5mm?Imm的T1-Si合金釬料片，然后用1200#砂紙對T1-Si合金釬料片進行雙面打磨，最后在丙酮中超聲清洗兩次，每次10?20min ；
[0036]步驟三、硅基陶瓷去氧化層處理
[0037]用1200#砂紙對硅基陶瓷表面進行單面打磨，最后在丙酮中超聲清洗兩次，每次1min ?20min ；