低成本、自活化焊接陶瓷的方法及其应用
阅读说明：本技术 低成本、自活化焊接陶瓷的方法及其应用 (Low-cost, self-activating method for welding ceramics and application thereof ) 是由 孙艺铭 王谦 许昌 付阳 张文静 杜馨竹 邓景文 徐畅 于 2019-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法及其应用,方法包括以下步骤：将中间层夹在2个待焊陶瓷之间形成三明治结构,用外加热源对三明治结构进行加热,将超声装置的超声头按压在1个待焊陶瓷上朝向另1个待焊陶瓷施加压力且使超声装置进行超声直至形成焊缝,关闭超声装置并停止外加热源加热,待三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从待焊陶瓷上移开,完成陶瓷的焊接,将多元钎料设计成多层金属箔的结构作为中间层,金属箔不仅易制备而且成本低,由于超声波的作用,使得钎料可以瞬间熔化发生界面反应,明显缩短保温时间,且在正常大气作用下就可完成焊接,提高了焊接效率,提高了焊接接头性能,使焊接强度显著提升。(The invention discloses a method for self-activating welding of ceramics with low cost and application thereof, wherein the method comprises the following steps: the middle layer is clamped between 2 ceramics to be welded to form a sandwich structure, the sandwich structure is heated by an external heating source, an ultrasonic head of an ultrasonic device is pressed on 1 ceramic to be welded to apply pressure towards the other 1 ceramic to be welded and the ultrasonic device is subjected to ultrasonic treatment until a welding seam is formed, the ultrasonic device is closed and the heating of the external heating source is stopped, the ultrasonic head of the ultrasonic device is removed from the ceramic to be welded after the sandwich structure is cooled to the room temperature of 20-25 ℃, the welding of the ceramics is completed, the multi-element brazing filler metal is designed into a structure of a multi-layer metal foil as the middle layer, the metal foil is easy to prepare and low in cost, due to the action of ultrasonic wave, the brazing filler metal can be instantly melted to generate interface reaction, the heat preservation time is obviously shortened, and the welding can be finished under the action of normal atmosphere, so that the welding efficiency is improved, the performance of a welding joint is improved, and the welding strength is obviously improved.)
技术领域
本发明属于材料焊接与连接技术领域，具体来说涉及一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法及其应用。
背景技术
陶瓷材料具有许多优异的性能，如耐高温、耐磨损、高强度等，在航天、机械、能源等诸多领域都有着重要应用。但是陶瓷材料的塑性较低、韧性差、耐冲击性差，对于尺寸较大、形状复杂的陶瓷零件，难以加工成形，所以需要研究陶瓷间的互连技术用以制备复杂的陶瓷结构。由于母材在钎焊过程中不熔化，因此钎焊在连接陶瓷材料时有其独特的优点。这使得钎焊与扩散钎焊成为陶瓷连接中最常用、最可能实现大规模工业化的连接方法。
活性钎焊又称直接钎焊，是较为常用的陶瓷焊接方法。采用含有活性元素的多元钎料时焊接陶瓷的实验结果表明：活性钎料可以实现活性元素与母材的化学冶金结合，实现反应润湿。现阶段主要采用以Hf-Ag、Zr-Ag、Ag-V、Au-Ni、Au-Cu、Cu-Zr等为代表的二元系钎料，或者以Ag-Cu-Ti、Ag-Cu-Hf、Ag-Ni-V、Cu-Pd-Ti、Au-Ni-V、Ni-Cr-Si等为代表，在共晶钎料中加入Ti、V、Zr、Cr和Hf等活性元素形成的三元系钎料，或者以Au基、Co基、Pd基为代表的多元系钎料，如Cu-Pd-Ti-Zn，Au-Pd-Co-Ni-V等，来焊接氧化物陶瓷，如Al2O3、SiO2、ZrO2等，氮化物陶瓷，如Si3N4、AlN等，碳化物陶瓷，如SiC等，硼化物陶瓷，如ZrB2等，以及陶瓷基复合材料，如Cf/SiC陶瓷基复合材料，Ti(C，N)-Al2O3陶瓷基复合材料等。
但是采用活性钎焊焊接陶瓷时，存在三个主要面临的问题：很多陶瓷连接结构件需要在高温下使用，故需要更加耐高温的连接接头，但是钎焊过程中如果温度过高，界面附近形成过多脆性金属间化合物的问题，使焊接接头易于发生脆断，而且对于陶瓷基复合材料而言，增强体通常为纤维和晶须，这些增强体在高温条件下可能导致性能下降，焊接温度条件非常苛刻；钎焊过程中，由于多元钎料中的活性元素化学性质活泼，为避免在高温下与氧气发生化学反应，使得陶瓷的活性钎焊必须在真空中或者惰性气体保护下进行；常用的活性钎料元素如Ti、Zr、Hf、Cr和V等由于本身活性大，故含有这些活性元素的钎料按传统的合金制备工艺很难制备成形，因此制备活性钎焊所需的钎料不仅工艺过程繁琐，而且成本相对较高。除此之外，还有钎料在陶瓷母材表面的润湿程度低、焊接过程不易操控、焊接时间过长等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，针对本发明技术方案中的待焊陶瓷和中间层(钎料)，采用本发明的方法不但具有能够在大气环境下进行，而且还具有提高焊接接头强度和缩短焊接时间的效果。
本发明的另一目的是提供上述方法获得的焊接接头。
本发明的另一目的是提供上述方法在缩短形成焊缝时间中的应用。
本发明的另一目的是提供上述方法在提高焊接接头剪切强度中的应用。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤1，去除2个待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜，抛光所述2个待焊陶瓷的焊面，清洗待焊陶瓷和中间层，干燥，其中，所述中间层由多层金属箔沿金属箔厚度方向堆叠而成；
在所述步骤1中，采用砂纸去除待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜。
在所述步骤1中，用丙酮或酒精对待焊陶瓷和中间层进行清洗。
步骤2，将所述中间层夹在所述2个待焊陶瓷之间形成三明治结构，用外加热源对所述三明治结构进行加热，同时将超声装置的超声头按压在1个待焊陶瓷上朝向另1个待焊陶瓷施加压力且使所述超声装置进行超声直至形成焊缝，关闭超声装置并停止外加热源加热，待所述三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从待焊陶瓷上移开，完成陶瓷的焊接，其中，当所述超声头按压在1个待焊陶瓷上朝向另1个待焊陶瓷施加压力时，所述中间层承受的压强为0.1～5MPa；所述超声的超声波的频率为20～100kHz，超声波的振幅为1～20μm。
在所述步骤2中，中间层承受的压强为0.1～0.25MPa，所述超声的超声波的频率为20～25kHz，超声波的振幅为6～10μm。
在所述步骤2中，陶瓷的焊接在空气环境中进行。
在所述步骤2中，陶瓷的焊接在一个标准大气压下进行。
在上述技术方案中，所述待焊陶瓷的材质为Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4或AlN。
在上述技术方案中，所述中间层中金属箔的数量为3层。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Ti、Ag-Cu和Ti，加热温度为800±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Ti，厚度为0.02mm；
中间层第二层金属箔的材质为Ag-Cu，厚度为0.03mm；
中间层第三层金属箔的材质为Ti，厚度为0.02mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为Al2O3。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Hf、Ag-Cu和Hf，加热温度为900±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Hf，厚度为0.04mm；
中间层第二层金属箔的材质为Ag-Cu，厚度为0.03mm；
中间层第三层金属箔的材质为Hf，厚度为0.04mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为ZrO2。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Al、AgCuTi和Al，加热温度为700±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Al，厚度为0.01mm；
中间层第二层金属箔的材质为AgCuTi，厚度为0.02mm；
中间层第三层金属箔的材质为Al，厚度为0.01mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为SiC。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为V、Au-Cu和V，加热温度为920±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为V，厚度为0.1mm；
中间层第二层金属箔的材质为Au-Cu，厚度为0.05mm；
中间层第三层金属箔的材质为V，厚度为0.1mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为Si3N4。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Pd-Ti、Cu和Pd-Ti，加热温度为800±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Pd-Ti，厚度为0.03mm；
中间层第二层金属箔的材质为Cu，厚度为0.02mm；
中间层第三层金属箔的材质为Pd-Ti，厚度为0.03mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为Al2O3。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Pd-V、Au-Cu和Pd-V，加热温度为820±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Pd-V，厚度为0.03mm；
中间层第二层金属箔的材质为Au-Cu，厚度为0.1mm；
中间层第三层金属箔的材质为Pd-V，厚度为0.03mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为AlN。
在上述技术方案中，所述中间层中3层金属箔的材质依次为Ti、Ni-Cu和Ti，加热温度为850±10℃。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的材质为Ti，厚度为0.01mm；
中间层第二层金属箔的材质为Ni-Cu，厚度为0.04mm；
中间层第三层金属箔的材质为Ti，厚度为0.01mm。
在上述技术方案中，待焊陶瓷的材质为ZrO2。
在上述技术方案中，所述外加热源为热感应线圈、加热炉、电弧、激光、电子束、热传导或热辐射。
在上述技术方案中，金属箔的厚度为0.01～5mm。
在上述技术方案中，中间层第一层金属箔的厚度为0.01～0.1mm，中间层第二层金属箔的厚度为0.02～0.1mm，中间层第三层金属箔的厚度为0.01～0.1mm。
上述方法获得的焊接接头。
上述方法在缩短形成焊缝的时间中的应用。
在上述技术方案中，形成焊缝的时间为20～35s。
上述方法在提高焊接接头剪切强度中的应用。
在上述技术方案中，焊接接头剪切强度为191～241MPa。
相比于现有技术，本发明的有益技术效果如下：
将多元钎料设计成多层金属箔的结构作为中间层，金属箔不仅易制备而且成本低，由于超声波的作用，使得钎料可以瞬间熔化发生界面反应，明显缩短保温时间，且在正常大气作用下就可完成焊接，大大提高了焊接效率，提高了焊接接头性能，使焊接强度显著提升。
附图说明
图1为本发明方法焊接时结构的示意图；
图2为“Al2O3陶瓷/Ti/Ag-28Cu/Ti/Al2O3陶瓷”金相组织图；
其中，1为加热热源，2为待焊陶瓷，3为超声头，4为中间层。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例中，干燥的操作为：将清洗完成的母材与中间层用吹风机烘干，在干燥皿中保存待用。
对待焊陶瓷和中间层进行清洗的操作为：用丙酮或酒精在超声波清洗机中清洗15min。
用外加热源对三明治结构进行加热：将外加热源对第二个待焊陶瓷进行加热。
接头力学性能采用的是WDW-D100EⅢ型万能电子试验机(济南时代试金试验机有限公司)，恒定速度为0.5mm/min的剪切强度测试。
实施例1
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤1，准备2个待焊陶瓷，每个待焊陶瓷的尺寸为10mm*10mm*5mm，采用砂纸去除2个待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜，抛光2个待焊陶瓷的焊面，用酒精对待焊陶瓷和中间层超声波清洗15min，干燥，其中，中间层由三层金属箔沿金属箔厚度方向堆叠而成，中间层的面积与和该中间层相接触待焊陶瓷的横截面相同，即中间层的面积为10mm*10mm；
步骤2，将中间层夹在2个待焊陶瓷之间形成三明治结构，即形成第一个待焊陶瓷/中间层/第二个待焊陶瓷，在空气环境(一个标准大气压)中，加热热源为马弗炉(加热炉)加热，用外加热源对三明治结构进行加热，同时将超声装置的超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力且使超声装置进行超声直至形成焊缝，陶瓷母材熔化形成瞬间液相并相互扩散发生冶金反应，冷却后形成复合焊缝结构。形成焊缝后，关闭超声装置并停止外加热源加热，待三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从第一个待焊陶瓷上移开，完成陶瓷的焊接，其中，当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.2MPa；超声的超声波的频率为20kHz，超声波的振幅为6μm。本发明方法焊接时结构的示意图如图1所示，其中，1为加热热源，2为待焊陶瓷，3为超声头，4为中间层。
第一个待焊陶瓷的材质为Al2O3，第二个待焊陶瓷的材质为Al2O3。
中间层第一层金属箔的材质为Ti，厚度为0.02mm。
中间层第二层金属箔的材质为Ag-28Cu，厚度为0.03mm。
中间层第三层金属箔的材质为Ti，厚度为0.02mm。
加热温度为810℃。
形成焊缝的时间为30s。
金相组织图如图2所示，经过接头力学性能测试，“Al2O3陶瓷/Ti/Ag-28Cu/Ti/Al2O3陶瓷”焊接结构的力学性能达到223MPa。
实施例2
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤1，准备2个待焊陶瓷，每个待焊陶瓷的尺寸为10mm*10mm*5mm，采用砂纸去除2个待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜，抛光2个待焊陶瓷的焊面，用酒精对待焊陶瓷和中间层超声波清洗10min，干燥，其中，中间层由三层金属箔沿金属箔厚度方向堆叠而成，中间层的面积与和该中间层相接触待焊陶瓷的横截面相同，即中间层的面积为10mm*10mm；
步骤2，将中间层夹在2个待焊陶瓷之间形成三明治结构，即形成第一个待焊陶瓷/中间层/第二个待焊陶瓷，在空气环境(一个标准大气压)中，加热热源马弗炉(加热炉)加热，用外加热源对三明治结构进行加热，同时将超声装置的超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力且使超声装置进行超声直至形成焊缝，陶瓷母材熔化形成瞬间液相并相互扩散发生冶金反应，冷却后形成复合焊缝结构。形成焊缝后，关闭超声装置并停止外加热源加热，待三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从第一个待焊陶瓷上移开，完成陶瓷的焊接，其中，当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.25MPa；超声的超声波的频率为20kHz，超声波的振幅为8μm。
第一个待焊陶瓷的材质为ZrO2，第二个待焊陶瓷的材质为ZrO2。
中间层第一层金属箔的材质为Hf，厚度为0.04mm。
中间层第二层金属箔的材质为Ag-28Cu，厚度为0.03mm。
中间层第三层金属箔的材质为Hf，厚度为0.04mm。
加热温度为910℃。
形成焊缝的时间为20s。
经过接头力学性能测试，“ZrO2陶瓷/Hf/Ag-28Cu/Hf/ZrO2陶瓷”焊接结构的力学性能达到241MPa。
实施例3
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤1，准备2个待焊陶瓷，每个待焊陶瓷的尺寸为10mm*10mm*5mm，采用砂纸去除2个待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜，抛光2个待焊陶瓷的焊面，用酒精对待焊陶瓷和中间层超声波清洗15min，干燥，其中，中间层由三层金属箔沿金属箔厚度方向堆叠而成，中间层的面积与和该中间层相接触待焊陶瓷的横截面相同，即中间层的面积为10mm*10mm；
步骤2，将中间层夹在2个待焊陶瓷之间形成三明治结构，即形成第一个待焊陶瓷/中间层/第二个待焊陶瓷，在空气环境(一个标准大气压)中，加热热源为马弗炉加热，用外加热源对三明治结构进行加热，同时将超声装置的超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力且使超声装置进行超声直至形成焊缝，陶瓷母材熔化形成瞬间液相并相互扩散发生冶金反应，冷却后形成复合焊缝结构。形成焊缝后，关闭超声装置并停止外加热源加热，待三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从第一个待焊陶瓷上移开，完成陶瓷的焊接，其中，当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.1MPa；超声的超声波的频率为25kHz，超声波的振幅为10μm。
第一个待焊陶瓷的材质为SiC，第二个待焊陶瓷的材质为SiC。
中间层第一层金属箔的材质Al，厚度为0.01mm。
中间层第二层金属箔的材质为Ag36Cu5Ti，厚度为0.02mm。
中间层第三层金属箔的材质为Al，厚度为0.01mm。
加热温度为710℃。
形成焊缝的时间为25s
经过接头力学性能测试，“SiC陶瓷/Al/Ag36Cu5Ti/Al/SiC陶瓷”焊接结构的力学性能达到191MPa。
实施例4
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，包括以下步骤：
步骤1，准备2个待焊陶瓷，每个待焊陶瓷的尺寸为10mm*10mm*5mm，采用砂纸去除2个待焊陶瓷表面的油杂物和氧化膜，抛光2个待焊陶瓷的焊面，用酒精对待焊陶瓷和中间层超声波清洗15min，干燥，其中，中间层由三层金属箔沿金属箔厚度方向堆叠而成，中间层的面积与和该中间层相接触待焊陶瓷的横截面相同，即中间层的面积为10mm*10mm；
步骤2，将中间层夹在2个待焊陶瓷之间形成三明治结构，即形成第一个待焊陶瓷/中间层/第二个待焊陶瓷，在空气环境(一个标准大气压)中，加热热源为马弗炉加热，用外加热源对三明治结构进行加热，同时将超声装置的超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力且使超声装置进行超声直至形成焊缝，陶瓷母材熔化形成瞬间液相并相互扩散发生冶金反应，冷却后形成复合焊缝结构。形成焊缝后，关闭超声装置并停止外加热源加热，待三明治结构冷却至室温20～25℃后将超声装置的超声头从第一个待焊陶瓷上移开，完成陶瓷的焊接，其中，当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.15MPa；超声的超声波的频率为25kHz，超声波的振幅为8μm。
第一个待焊陶瓷的材质为Si3N4，第二个待焊陶瓷的材质为Si3N4。
中间层第一层金属箔的材质为V，厚度为0.1mm。
中间层第二层金属箔的材质为Au-20Cu，厚度为0.05mm。
中间层第三层金属箔的材质为V，厚度为0.1mm。
加热温度为920℃。
形成焊缝的时间为35s。
经过接头力学性能测试，“Si3N4陶瓷/V/Au-20Cu/V/Si3N4陶瓷”焊接结构的力学性能达到227MPa。
实施例5
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.1MPa；超声的超声波的频率为25kHz，超声波的振幅为8μm。
第一个待焊陶瓷的材质为Al2O3，第二个待焊陶瓷的材质为Al2O3。
中间层第一层金属箔的材质为Pd-25Ti，厚度为0.03mm。
中间层第二层金属箔的材质为Cu，厚度为0.02mm。
中间层第三层金属箔的材质为Pd-25Ti，厚度为0.03mm。
加热温度为805℃。
形成焊缝的时间为15s。
经过接头力学性能测试，“Al2O3陶瓷/Pd-25Ti/Cu/Pd-25Ti/Al2O3陶瓷”焊接结构的力学性能达到231MPa。
实施例6
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.15MPa；超声的超声波的频率为20kHz，超声波的振幅为6μm。
第一个待焊陶瓷的材质为ZrO2，第二个待焊陶瓷的材质为ZrO2。
中间层第一层金属箔的材质为Ti，厚度为0.01mm。
中间层第二层金属箔的材质为Ni-9Cu，厚度为0.04mm。
中间层第三层金属箔的材质为Ti，厚度为0.01mm。
加热温度为855℃。
形成焊缝的时间为30s。
经过接头力学性能测试，“ZrO2陶瓷/Ti/Ni-9Cu/Ti/ZrO2陶瓷”焊接结构的力学性能达到229MPa。
实施例7
一种低成本、自活化焊接陶瓷的方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：
当超声头按压在第一个待焊陶瓷上朝向第二个待焊陶瓷施加压力时，中间层承受的压强为0.2MPa；超声的超声波的频率为25kHz，超声波的振幅为10μm。
第一个待焊陶瓷的材质为AlN，第二个待焊陶瓷的材质为AlN。
中间层第一层金属箔的材质为Pd-6V，厚度为0.03mm。
中间层第二层金属箔的材质为Au-20Cu，厚度为0.1mm。
中间层第三层金属箔的材质为Pd-6V，厚度为0.03mm。
加热温度为830℃。
形成焊缝的时间为25s。
经过接头力学性能测试，“AlN陶瓷/Pd-6V/Au-20Cu/Pd-6V/AlN陶瓷”焊接结构的力学性能达到235MPa。
在钎焊过程中，通过引入超声波不仅为界面反应加入了新的能量，可以有效降低钎焊温度，即外加热源加热温度远小于被焊接陶瓷的熔点，从而实现陶瓷的低温焊接高温使用。
超声空化作用能够快速破坏中间层两侧活性金属箔与氧化物陶瓷接触界面的氧化膜，增加了多层钎料的润湿性，使氧化物陶瓷与多层钎料真正接触，产生液相后相互扩散，并发生冶金反应形成焊缝组织。
声流搅拌作用能均匀化及细化焊缝组织，使形成的焊缝力学性能更好，同时也避免陶瓷塑韧性差、焊缝易脆化的焊接问题，实现陶瓷的稳定、可靠焊接。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
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