一种陶瓷-金属放电等离子连接方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料连接技术领域，特别是涉及一种陶瓷-金属放电等离子连接方法。

背景技术

陶瓷材料由于其具有良好的高温力学性能，优异的抗氧化耐腐蚀性能，且硬度高、耐磨性好、比强高，在航空航天、汽车、工程机械等领域具有广阔的应用前景，成为最具潜力和竞争力的材料之一。然而，陶瓷脆性大，难以制成大尺寸或复杂构件，使其在实际应用中受到限制。故将陶瓷与金属连接起来，实现性能互补，获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的复合构件。

目前应用于陶瓷与金属的连接有钎焊、扩散焊、液相连接等方法。Li C(Microstructure and mechanical properties of the AlON/Ti6Al4V active elementbrazing joint[J].Materials Science and Engineering:A,2020,793:139859.)采用Ag-28Cu共晶钎料钎焊连接AlON与Ti6Al4V，接头最大剪切强度为78.3MPa。Lan L(Microstructure and mechanical properties of partial transient liquid phasebonded Si

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷-金属放电等离子连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，本发明基于等离子活化和加压的双重优势，使得陶瓷与金属高强度连接。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种陶瓷-金属放电等离子连接方法，包括以下步骤：

(1)将陶瓷与金属连接面分别研磨、抛光，将金属箔片进行打磨；

(2)将处理好的陶瓷、金属、金属箔片进行超声清洗；

(3)将陶瓷、金属、金属箔片叠放组装好，置于石墨模具中，进行放电等离子烧结。

优选的，步骤(1)中，陶瓷与金属连接面依次用规格为W14、W5的B

金属箔片依次用400#、800#、1200#、1500#砂纸打磨，经过打磨处理后，可以去除金属箔片表面的污染物及锈等物质，降低粗糙度。

优选的，所述陶瓷为SiAlON、Al

所述金属为硬质合金、高温合金、钛合金和不锈钢的一种。

所述金属箔片为Ti箔、Cu箔、Ni箔、Nb箔、Mo箔、W箔、Ag箔和Ta箔中的一种或两种以上组合，上述金属箔片通过可扩散或化学反应实现陶瓷与金属的连接。

优选的，所述金属箔片的厚度为10-500μm，在此厚度范围内，金属箔片可通过一定的塑性变形减缓陶瓷与金属连接过程中由于热膨胀系数差异引起的残余应力，金属箔片过薄可能导致界面反应不够充分，过厚对残余应力的缓解能力反而变弱。

优选的，步骤(2)中，在无水乙醇中超声清洗15min，进一步去除表面上的杂质与油脂。。

优选的，步骤(3)中，按照陶瓷-金属箔片-金属的叠层结构依次置于石墨模具中。在此步骤中，石墨模具内壁覆盖厚度为0.2mm的石墨垫片，更优选按照石墨压头-石墨垫片-陶瓷-金属箔片-金属-石墨垫片-石墨压头的叠层结构依次装于石墨模具中。不放置金属箔片时，陶瓷和金属的连接通常失效或者连接强度较低。

优选的，当金属箔片为Ti箔、Cu箔、Ni箔、Nb箔、Mo箔、W箔、Ag箔和Ta箔中的两种以上组合时，按照陶瓷-Ti箔-X箔-金属配置，其中X箔为除Ti箔以外的至少一种金属箔片。Ti作为活性元素可以与化学惰性很强的陶瓷发生反应，故选择Ti箔放置在陶瓷侧，金属的化学性质相较于陶瓷更为活泼，故实现陶瓷与金属连接的关键在于Ti箔等活性元素的存在，Ti箔与X箔的组合可以通过缓解残余应力或控制金属化合物的生成提高界面连接强度。

优选的，步骤(3)中，放电等离子烧结工艺为：升温速率10-100℃/min，温度800-1300℃、压力10-100MPa，恒压保温0-120min。进行放电等离子烧结工艺之前，将放电等离子烧结炉洗气一次，抽真空至40Pa后冲入氩气保护气氛至0.05MPa。过低的升温速率导致生产效率低，过高的升温速率会导致难以均热产生较大的热应力；连接温度较低时金属箔片与陶瓷或金属的反应或者扩散进行的不完全，温度过高时可能对母材性能产生不利影响；保温时间的影响同连接温度；随着连接压力的提高连接强度也会随之提高，但过高的连接压力会导致较大的残余应力。故在一定的连接压力下，以一定的升温速率升至连接温度，随后保温一段时间，以促使金属箔片与陶瓷/金属的化学反应或扩散充分发生，从而实现良好连接。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)是一种新型材料烧结技术，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明优点，现阶段对于陶瓷与金属的放电等离子连接方法尚无报道。本发明利用放电等离子烧结的等离子活化、升降温快速的特点，将SPS用于陶瓷与金属的连接，可有效促进相变反应发生，减小基体热损伤及连接变形，有利于提高组织均匀性，获得高连接强度，同时缩短连接时间，提高生产效率。本发明的陶瓷与金属放电等离子连接方法具有高的实用价值。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明的陶瓷-金属放电等离子连接方法，与钎焊、扩散焊相比，升温速率和降温速率提高了5-10倍。本发明极大地降低了能源消耗，提高了生产效率，具有推广价值。

(2)本发明采用金属箔片作为连接材料，所获得的陶瓷-金属连接界面强度高，扩大了陶瓷的应用场合，具有高的实用价值。

(3)本发明实现的陶瓷与金属连接界面无裂纹孔洞等缺陷，陶瓷侧实现了良好的化学结合，在等离子作用下，母材晶粒无长大现象，基体损伤小，界面未生成过多脆性金属间化合物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明剪切试验的剪切示意图；

图2为本发明实施例1得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接实物图；

图3为实施例1制得的SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔；

图4为实施例1制得的SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔；

图5为实施例1制得的硬质合金侧连接界面SEM放大图，其中，1为金属箔，2为硬质合金；

图6为实施例2制得的SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔；

图7为实施例2制得的SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔；

图8为实施例2制得的硬质合金侧连接界面SEM放大图，其中，1为金属箔，2为硬质合金；

图9为实施例3制得的SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔；

图10为实施例3制得的SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔；

图11为实施例3制得的硬质合金侧连接界面SEM放大图，其中，1为金属箔，2为硬质合金。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

(1)将SiAlON陶瓷磨削加工至Φ13×4mm，硬质合金(YG8)利用电火花线切割至Φ13×4mm；用角磨机打磨上述SiAlON陶瓷和硬质合金待连接面后，依次用规格为W14、W5的B4C研磨粉分别研磨5分钟，随后用规格为W1.5的金刚石抛光剂在金相试样抛光机上抛光10分钟，转速为900r/min；将10μm厚Ti箔和100μm厚Cu箔剪裁为直径13mm的圆片，将上述Ti箔、Cu箔依次用400#、800#、1200#、1500#砂纸打磨；将处理好的SiAlON陶瓷、硬质合金、Ti箔、Cu箔置于无水乙醇中超声清洗15min；在内径为13.6mm，高度为40mm的石墨模具内壁覆盖厚度为0.2mm的石墨垫片；将SiAlON陶瓷、硬质合金、金属箔片按照“石墨压头-0.2mm石墨垫片-SiAlON陶瓷-金属箔片-硬质合金-0.2mm石墨垫片-石墨压头”的叠层结构依次装于石墨模具中；

(2)将上述石墨模具放置在放电等离子烧结炉中，将放电等离子烧结炉抽真空洗气一次，随后抽真空至40Pa后冲入氩气保护气氛至0.05MPa。烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度900℃、压力30MPa下恒压保温60min，使SiAlON陶瓷-硬质合金进行连接。保温结束后，随炉自然冷却。随后将SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头磨削至尺寸8mm×6mm×6mm安装到剪切模具中，剪切示意图如图1所示，使用万能试验机以0.1mm/min的速度进行剪切试验。

本实施例得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接实物图见图2，SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为194MPa；SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图见图3，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔，由SEM图可知SiAlON陶瓷与YG8在Ti箔/Cu箔的作用下实现了良好的连接，无微观裂纹与未焊合等缺陷；SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图见图4，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔，可知中间层金属箔与SiAlON陶瓷发生了化学反应生成了一定厚度的反应层，且反应产物分布较为均匀；硬质合金侧连接界面SEM放大图见图5，其中，1为金属箔，2为硬质合金，可知YG8与Cu箔产生了一定的扩散与化学反应，产生了较为良好的键合。

实施例2

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度900℃、压力30MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为189MPa。SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图见图6，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔；SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图见图7，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔；硬质合金侧连接界面SEM放大图见图8，其中，1为金属箔，2为硬质合金，由SEM图可知，相比较于实施例1，在保温时间降低的条件下，中间金属箔片与两侧基材生成的反应层厚度有所下降。

实施例3

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度950℃、压力30MPa下恒压保温60min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为144MPa。SiAlON陶瓷-硬质合金连接界面SEM图见图9，其中，1为SiAlON陶瓷，2为硬质合金，3为金属箔；SiAlON陶瓷侧连接界面SEM放大图见图10，其中，1为SiAlON陶瓷，2为金属箔；硬质合金侧连接界面SEM放大图见图11，其中，1为金属箔，2为硬质合金，由SEM图可知，相比较于实施例1，在连接温度升高的条件下，元素扩散距离明显增大，但在高温下生成的金属间化合物随连接过程中生成的共晶液相被更多地挤出界面，导致强度略有降低。

实施例4

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度1000℃、压力30MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为145MPa。

实施例5

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度1000℃、压力30MPa下恒压保温60min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷/硬质合金连接接头剪切强度为142MPa。

实施例6

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度800℃、压力30MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为116MPa。

实施例7

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为100℃/min，在温度900℃、压力30MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为165MPa。

实施例8

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为10℃/min，在温度900℃、压力30MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为198MPa。

实施例9

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度900℃、压力30MPa下恒压保温120min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为175MPa。

实施例10

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度900℃、压力10MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为137MPa。

实施例11

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度900℃、压力100MPa下恒压保温30min。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为103MPa。

实施例12

(1)将Al

(2)将上述石墨模具放置在放电等离子烧结炉中，将放电等离子烧结炉抽真空洗气一次，随后抽真空至40Pa后冲入氩气保护气氛至0.05MPa。烧结工艺为升温速率为80℃/min，在温度1000℃、压力50MPa下恒压保温60min，使Al

本实施例制备得到的Al

实施例13

(1)将ZrO

(2)将上述石墨模具放置在放电等离子烧结炉中，将放电等离子烧结炉抽真空洗气一次，随后抽真空至40Pa后冲入氩气保护气氛至0.05MPa。烧结工艺为升温速率为60℃/min，在温度1200℃、压力30MPa下恒压保温80min，使ZrO

本实施例制备得到的ZrO

实施例14

(1)将Si

(2)将上述石墨模具放置在放电等离子烧结炉中，将放电等离子烧结炉抽真空洗气一次，随后抽真空至40Pa后冲入氩气保护气氛至0.05MPa。烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度1000℃、压力50MPa下恒压保温50min，使Si

本实施例制备得到的Si

实施例15

同实施例1，不同之处仅在于陶瓷为BN陶瓷，金属为钛合金(TC4)，金属箔片为250μm的Nb箔。

本实施例制备得到的BN陶瓷-钛合金连接接头剪切强度为91MPa。

实施例16

同实施例1，不同之处仅在于陶瓷为AlN陶瓷，金属为工具钢(T10A)，金属箔片为500μm的Cu箔。

本实施例制备得到的AlN陶瓷-钢连接接头剪切强度为137MPa。

实施例17

同实施例1，不同之处仅在于陶瓷为金属陶瓷(Ti(C,N))，金属为高温合金(GH4169)，金属箔片为200μm的Ti箔。

本实施例制备得到的金属陶瓷-高温合金连接接头剪切强度为149MPa。

实施例18

同实施例1，不同之处仅在于陶瓷为SiC陶瓷，金属为钛合金TC4，金属箔片为100μm的Mo箔。

本实施例制备得到的SiC陶瓷-钛合金连接接头剪切强度为73MPa。

对比例1

同实施例1，区别在于，步骤(2)中烧结工艺为升温速率为50℃/min，在温度750℃、压力30MPa下恒压保温60min。保温结束后，保持压力循环水冷自然冷却，得到SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头。

本实施例制备得到的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头在后续磨削过程中分离，即连接强度较低。造成接头连接强度较低的原因为连接温度设置较低，在此连接温度下中间层金属箔片与待连接母材扩散或反应不够充分，界面出现了宏观缝隙，导致连接强度较低。

对比例2

同实施例1，区别在于，步骤(2)中温度1400℃、压力30MPa下恒压保温60min，使SiAlON陶瓷-硬质合金进行连接。

本实施例制备的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头由于超出了中间层金属的熔点，界面处有大量金属被挤出，界面存在少量裂纹，剪切强度为19MPa。

对比例3

同实施例1，区别在于，步骤(1)中SiAlON陶瓷、硬质合金研磨后未抛光。

本实施例制备的SiAlON陶瓷-硬质合金连接接头剪切强度为43MPa。由于SiAlON陶瓷、硬质合金研磨后未抛光，待连接面较为粗糙，连接过程中与金属箔片未能紧密贴合，可能出现较小的孔洞，导致强度下降较多。

对比例4

同实施例1，区别在于，步骤(1)中SiAlON陶瓷与硬质合金间未添加金属箔片。

本实施例制备的SiAlON陶瓷-硬质合金未能实现连接。未添加金属箔片时，SiAlON陶瓷与硬质合金化学性质都较为稳定，二者之间难以发生化学反应，故未能实现连接。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。