一种焊接陶瓷和镍基合金的方法
阅读说明：本技术 一种焊接陶瓷和镍基合金的方法 (Method for welding ceramic and nickel-based alloy ) 是由 和宇 鲁元 黎明 朱稳 高凯 王皎 王萌 李超 何一 杨琦 薛驰远 殷越 车 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法,包括：步骤一、将陶瓷待结合件和镍合金待结合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上；步骤二、利用超音速火焰喷涂工艺在所述陶瓷待结合件的焊接面和镍合金待结合件的焊接面制备Ti/Ni涂层；步骤三、利用摩擦焊接设备,经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理。本发明利用陶瓷和镍基合金发生相对转动产生的热量使金属连接表面达到热塑性变形,实现金属和陶瓷的连接,具有连接速率高、生产效率高的特点。(The invention provides a method for welding ceramics and nickel-based alloys, which comprises the following steps: step one, respectively installing a ceramic to-be-combined piece and a nickel alloy to-be-combined piece on a friction welding equipment fixture; secondly, preparing a Ti/Ni coating on the welding surface of the ceramic to-be-combined piece and the welding surface of the nickel alloy to-be-combined piece by using a supersonic flame spraying process; thirdly, welding through a first-stage pressurizing stage, a second-stage pressurizing stage and an upsetting stage by using friction welding equipment; and step four, performing heat treatment on the weldment welded in the step three. The invention utilizes the heat generated by the relative rotation of the ceramic and the nickel-based alloy to lead the metal connecting surface to achieve the thermoplastic deformation, realizes the connection of the metal and the ceramic, and has the characteristics of high connection speed and high production efficiency.)
技术领域
本发明属于异种材料焊接技术领域，具体涉及一种焊接陶瓷和镍基合金的方法。
背景技术
随着科学技术的高速发展，现代工业对工程材料提出了更为严苛的要求。先进陶瓷由于具有高强度、高硬度、优异的耐磨性及耐腐蚀性等特点已成为工程结构领域不可或缺的一部分。由于脆性大、加工性能差，单一的陶瓷材料不足以满足工程领域的要求，应用时往往需要和塑韧性较好的金属材料冶金连接在一起，使二者优势互补，充分发挥陶瓷的优异性能，如蓝宝石整流罩和金属弹体的连接、陶瓷透明窗口和钛合金的连接等，当前市场上对陶瓷与金属的可靠冶金连接具有广泛的需求。
陶瓷和金属材料的物理性质、化学键型差别很大。陶瓷材料内部主要为离子键和共价键，而金属材料主要由金属键构成，实现二者的冶金连接需要涉及到键型的转换和匹配，因此焊接接头容易出现不熔合的现象，如钎焊过程中液态金属钎料对陶瓷母材的不润湿和熔化焊接头出现的焊不熔合等现象。根据陶瓷与金属的连接特性，陶瓷与金属冶金连接要克服的关键主要为母材化学键型差异引起的接头不熔合、不润湿和热膨胀系数差异引起的残余应力大、强度低的问题。对于前者，目前常用的解决手段是陶瓷表面的金属化或促进陶瓷母材参加界面反应；对于后者，常用的解决手段为在接头中加入缓冲中间层或增强相。在实际应用中，为了充分发挥陶瓷的高温性能，陶瓷/金属接头的高温力学性能也亟需提高。目前，陶瓷与金属的常用冶金连接方法主要为钎焊、扩散焊和熔化焊等。
钎焊是连接陶瓷与金属的重要方法，其基本原理为：钎料合金熔点低于被连接母材，钎焊时钎料合金熔化而母材保持固态，液态钎料润湿陶瓷表面并铺满整个焊缝，冷却凝固后即实现连接，然而存在液态金属钎料难以润湿陶瓷母材的问题。
扩散焊是指在一定的温度和压力下，陶瓷与金属母材相互靠近和接触，通过使局部产生塑性变形或产生液相从而扩大接触面积，经过长时间的原子扩散和界面化学反应达到冶金连接的技术，往往伴随高温高压的处理条件，不利于进行广泛的应用推广。
熔化焊是利用高温热源进行加热，在陶瓷不熔化的条件下使金属熔化，凝固后形成连接，根据热源种类不同，可分为电弧焊、电子束焊、激光焊和等离子弧焊。熔化焊具有加热速度快、连接效率高的优点，但陶瓷的高熔点及高温分解特性使陶瓷与金属很难通过该方法实现连接，需采用辅助热源对母材进行预热和缓冷以降低热应力。
确定一种适用于陶瓷和金属异种焊接的工艺，是提高陶瓷与金属的可靠冶金制品推广应用的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法。本发明利用摩擦焊实现陶瓷和镍基合金的异种焊接，利用陶瓷和镍基合金发生相对转动产生的热量使金属连接表面达到热塑性变形，实现金属和陶瓷的连接，具有连接速率高、生产效率高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将陶瓷待结合件和镍合金待结合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上；
步骤二、利用超音速火焰喷涂工艺在所述陶瓷待结合件的焊接面和镍合金待结合件的焊接面制备Ti/Ni涂层；
步骤三、利用摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；
步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤二所述Ti/Ni涂层厚度均为100μm～200μm。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤二所述超音速火焰喷涂工艺中助燃剂为氧气，氧气流量为120L/min～160L/min，燃气为丙烷，丙烷流量为80L/min～120L/min，送粉气体为氮气，氮气流量为60L/min～100L/min，喷枪移动速度为40mm/s～80mm/s，喷涂距离为400mm～800mm。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤二制备所述Ti/Ni涂层的原料为Ti/Ni混合粉末，所述Ti/Ni混合粉末为干燥处理后Ti/Ni混合粉末，所述干燥处理的温度为120℃～160℃，干燥处理的时间为40min～80min。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，所述干燥处理所用Ti/Ni混合粉末为经湿法搅拌混合制备得到的Ti/Ni混合粉末，所述湿法搅拌混合具体包括：
步骤一、将钛粉和镍粉置于无水乙醇中；
步骤二、向步骤一混合体系中加入去离子水，超声分散，得到分散体系；
步骤三、60℃～100℃温度条件下，搅拌步骤二所述分散体系4h～8h，烘干，筛分。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤一所述无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的400倍～600倍；所述钛粉和镍粉的质量比为1：(0.5～1.5)；步骤二所述去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的400倍～600倍；超声分散的频率为20Hz～40Hz，超声分散时间为6h～10h；步骤三所述搅拌为在桨叶式搅拌器中搅拌。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤三所述一级加压阶段转速为1400转/分～1800转/分，摩擦压力为60MPa～100MPa，4秒≤摩擦时间≤8秒，二级加压阶段转速为1400转/分～1800转/分，摩擦压力为100MPa～140MPa，4秒≤摩擦时间≤6秒，所述顶锻阶段顶锻压力为200MPa～300MPa，顶锻时间为6秒～8秒。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤四所述热处理包括以200℃/h～400℃/h的升温速率升至850℃～950℃，保持2h～4h，以200℃/h～400℃/h的降温速率降至室温。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤一所述陶瓷待结合件的焊接面与镍合金待结合件的焊接面形状相同。
上述的一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，其特征在于，步骤一所述陶瓷待结合件为碳化硅陶瓷待合件，所述碳化硅陶瓷待结合件的形状为管状或棒状；所述镍合金待结合件的形状为管状或棒状。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的焊接陶瓷和镍基合金的方法中，利用摩擦焊实现陶瓷和镍基合金的异种焊接，陶瓷和镍基合金发生相对转动产生的热量使金属连接表面达到热塑性变形，实现金属和陶瓷的连接，具有连接速率高、生产效率高的特点。
2、本发明的焊接陶瓷和镍基合金的方法中包括向焊接面喷涂Ti/Ni混合粉末，可有效去除陶瓷表面氧化膜，改善陶瓷和镍基合金之间的润湿性，可有效避免因焊接界面熔化造成的气孔、夹渣等缺陷，得到具有更高力学性能异种合金焊件，在摩擦热作用下具有高的焊接面连接速度，可针对性解决对异种焊接工件形状的限制，可实现异种材料异形件的制备，提高其应用推广空间。
3、作为优选，本发明包括通过超音速火焰喷涂工艺将湿法搅拌混合Ti/Ni混合粉末喷涂至焊接面，可有效避免传统焊接界面过渡层比如Fe箔、Ni箔、Ag箔等界面易分离、易剥落，过渡层成分不均匀、界面清晰度较差的缺陷。
4、本发明的方法具有效率高、成本低、工艺简单和节能环保的特点，具有很高的推广应用价值。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为实施例1完成陶瓷和镍基合金焊接后焊件的接头金相照片。
具体实施方式
本发明提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括：
步骤一、将陶瓷待结合件和镍合金待结合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上；
具体的，所述陶瓷待结合件的焊接面与镍合金待结合件的焊接面形状相同；所述陶瓷待结合件可以为碳化硅陶瓷待结合件，所述碳化硅陶瓷待结合件的形状可以为管状、棒状或者其他形状，比如外径为30mm～150mm，厚度为5mm～20mm的管状；镍合金待结合件可以为高温镍基合金待结合件，高温镍基合金待结合件的形状可以为管状、棒状或者其他形状，比如外径为30mm～150mm，厚度为5mm～20mm的Incoloy 800H合金管；
具体的，所述摩擦焊接设备为连续驱动摩擦焊机，满足：摩擦过程能实现两级加压，一级加压阶段，转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～120)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒，二级加压阶段，转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～200)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒，顶锻阶段，顶锻压力满足(0～400)MPa，顶锻时间满足(0～10)秒；
步骤二、利用超音速火焰喷涂工艺在所述陶瓷待结合件的焊接面和镍合金待结合件的焊接面制备Ti/Ni涂层；
具体的，所述Ti/Ni涂层厚度均为100μm～200μm；
具体的，所述超音速火焰喷涂工艺条件可以为：助燃剂氧气流量为120L/min～160L/min，燃气丙烷流量为80L/min～120L/min，送粉气体氮气流量为60L/min～100L/min，喷枪移动速度为40mm/s～80mm/s，喷涂距离为400mm～800mm；
具体包括：将Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述陶瓷待结合件的焊接面和镍合金待结合件的焊接面；
优选的，喷涂所用Ti/Ni混合粉末为干燥处理后Ti/Ni混合粉末，所述干燥处理的条件可以为120℃～160℃烘箱中烘干40min～80min；
进一步优选的，还包括干燥处理前的湿法搅拌混合，所述湿法搅拌混合具体包括：将钛粉和镍粉置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀，加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系，将所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；钛粉和镍粉的混合物中，钛粉的质量百分含量可以为40％～60％；无水乙醇的质量可以为钛粉和镍粉质量之和的400倍～600倍；去离子水的质量可以为钛粉和镍粉质量之和的400倍～600倍；分散比如可以为在超声频率20Hz～40Hz条件下进行6h～10h的超声分散；在桨叶式搅拌器中搅拌的温度比如可以为60℃～100℃，搅拌的时间可以为4h～8h；所述钛粉Ti含量﹥99.9％，平均粒径<20μm；所述镍粉Ni含量﹥99.9％，平均粒径<30μm；
步骤三、利用摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；
具体的，所述一级加压阶段转速为1400转/分～1800转/分，摩擦压力为60MPa～100MPa，4秒≤摩擦时间≤8秒；所述二级加压阶段转速为1400转/分～1800转/分，摩擦压力为100MPa～140MPa，4秒≤摩擦时间≤6秒；所述顶锻阶段顶锻压力为200MPa～300MPa，顶锻时间为6秒～8秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理。
具体的，步骤四所述热处理包括以200℃/h～400℃/h的升温速率升至850℃～950℃，保持2h～4h，以200℃/h～400℃/h的降温速率降至室温；所述室温为20℃～25℃。
以下结合实施例具体说明本发明的内容，下列说明并非对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将碳化硅陶瓷管和Incoloy 800H高温镍基合金管分别安装于摩擦焊接设备夹具上，夹紧夹具使不产生晃动，使碳化硅陶瓷管中心线和高温镍基合金管中心线处于同一水平线上，对碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管焊接面分别进行除锈、除氧化皮和除油清洁处理；碳化硅陶瓷管和高温镍基合金管外径均为45mm，厚度均为9mm，长度均为0.3m；
步骤二、将钛粉和镍粉经湿法搅拌混合和干燥处理后，得到Ti/Ni混合粉末，将所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管的焊接面，分别得到厚度均为100μm的Ti/Ni涂层；具体包括：
步骤201、将钛粉和镍粉按照质量比为3:2混合置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀；无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的400倍；
步骤202、向步骤201混合均匀后体系中加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系；去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的400倍；超声分散的频率为20Hz，超声分散时间为6h；
步骤203、60℃温度条件下，将步骤202所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；所述搅拌的时间可以为4h；
步骤204、将步骤203筛分后粉体在120℃烘箱中烘干40min，得到Ti/Ni混合粉末；
步骤205、将步骤204所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面；所述超音速火焰喷涂工艺中，助燃剂氧气流量均为120L/min，燃气丙烷流量均为80L/min，送粉气体氮气流量均为60L/min，喷枪移动速度均为40mm/s，喷涂距离均为400mm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，依次经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接，其中，一级加压的转速为1400转/分，摩擦压力为60MPa，摩擦时间为4秒；二级加压的转速为1400转/分，摩擦压力为100MPa，摩擦时间为4秒；顶锻阶段压力为200MPa，顶锻时间为6秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成陶瓷和镍基合金的焊接；所述热处理具体包括：以200℃/h的升温速率升至850℃，保持2h，以200℃/h的降温速率降至室温，所述室温为20℃～25℃。
对比例1
本对比例为利用钎焊将实施例1的陶瓷管和镍基合金管进行焊接的方法，具体包括：在碳化硅陶瓷管焊接面和Incoloy 800H高温镍基合金管焊接面之间放置纯铝箔，整体置于真空烧结炉中，当炉内真空达到10-1Pa时开始加热，升温至600℃保温40min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊连接后的陶瓷管和镍基合金管。
对比例2
本对比例与实施例1相同，其中不同之处在于，不经步骤二，步骤三在启动摩擦焊接设备之前，在碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面分别设置Fe箔。
实施例2
本实施例提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将碳化硅陶瓷管和Incoloy 800H高温镍基合金管分别安装于摩擦焊接设备夹具上，夹紧夹具使不产生晃动，使碳化硅陶瓷管中心线和高温镍基合金管中心线处于同一水平线上，对碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管焊接面分别进行除锈、除氧化皮和除油清洁处理；碳化硅陶瓷管和高温镍基合金管外径均为45mm，厚度均为9mm，长度均为0.3m；
步骤二、将钛粉和镍粉经湿法搅拌混合和干燥处理后，得到Ti/Ni混合粉末，将所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管的焊接面，分别得到厚度均为150μm的Ti/Ni涂层；具体包括：
步骤201、将钛粉和镍粉按照质量比为1:1混合置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀；无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；
步骤202、向步骤201混合均匀后体系中加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系；去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；超声分散的频率为30Hz，超声分散时间为8h；
步骤203、80℃温度条件下，将步骤202所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；所述搅拌的时间可以为4h；
步骤204、将步骤203筛分后粉体在140℃烘箱中烘干60min，得到Ti/Ni混合粉末；
步骤205、将步骤204所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面；所述超音速火焰喷涂工艺中，助燃剂氧气流量均为140L/min，燃气丙烷流量为100L/min，送粉气体氮气流量为80L/min，喷枪移动速度为60mm/s，喷涂距离为600mm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，依次经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接，其中，一级加压的转速为1600转/分，摩擦压力为80MPa，摩擦时间为6秒；二级加压的转速为1600转/分，摩擦压力为120MPa，摩擦时间为5秒；顶锻阶段压力为250MPa，顶锻时间为7秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成陶瓷和镍基合金的焊接；热处理具体包括：以300℃/h的升温速率升至900℃，保持3h，以300℃/h的降温速率降室温；所述室温为20℃～25℃。
对比例3
本对比例为利用钎焊将实施例2的陶瓷管和镍基合金管进行焊接的方法，具体包括：在碳化硅陶瓷管焊接面和Incoloy 800H高温镍基合金管焊接面之间放置纯铝箔，整体置于真空烧结炉中，当炉内真空达到10-1Pa时开始加热，升温至700℃保温50min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊连接后的陶瓷管和镍基合金管。
对比例4
本对比例与实施例2相同，其中不同之处在于，不经步骤二，步骤三在启动摩擦焊接设备之前，在碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面分别设置Fe箔。
实施例3
本实施例提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将碳化硅陶瓷管和Incoloy 800H高温镍基合金管分别安装于摩擦焊接设备夹具上，夹紧夹具使不产生晃动，使碳化硅陶瓷管中心线和高温镍基合金管中心线处于同一水平线上，对碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管焊接面分别进行除锈、除氧化皮和除油清洁处理；碳化硅陶瓷管和高温镍基合金管外径均为45mm，厚度均为9mm，长度均为0.3m；
步骤二、将钛粉和镍粉经湿法搅拌混合和干燥处理后，得到Ti/Ni混合粉末，将所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管的焊接面，分别得到厚度均为200μm的Ti/Ni涂层；具体包括：
步骤201、将钛粉和镍粉按照质量比为2:3混合置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀；无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的600倍；
步骤202、向步骤201混合均匀后体系中加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系；去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的600倍；超声分散的频率为40Hz，超声分散时间为10h；
步骤203、100℃温度条件下，将步骤202所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；所述搅拌的时间可以为6h；
步骤204、将步骤203筛分后粉体在160℃烘箱中烘干80min，得到Ti/Ni混合粉末；
步骤205、将步骤204所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面；所述超音速火焰喷涂工艺中，助燃剂氧气流量均为160L/min，燃气丙烷流量为120L/min，送粉气体氮气流量为100L/min，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离为800mm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，依次经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接，其中，一级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为100MPa，摩擦时间为8秒；二级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为140MPa，摩擦时间为6秒；顶锻阶段压力为300MPa，顶锻时间为8秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成陶瓷和镍基合金的焊接；所述热处理具体包括：以400℃/h的升温速率升至950℃，保持4h，以400℃/h的降温速率降至室温，所述室温为20℃～25℃。
对比例5
本对比例为利用钎焊将实施例3的陶瓷管和镍基合金管进行焊接的方法，具体包括：在碳化硅陶瓷管焊接面和Incoloy 800H高温镍基合金管焊接面之间放置纯铝箔，整体置于真空烧结炉中，当炉内真空达到10-1Pa时开始加热，升温至800℃保温60min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊连接后的陶瓷管和镍基合金管。
对比例6
本对比例与实施例3相同，其中不同之处在于，不经步骤二，步骤三在启动摩擦焊接设备之前，在碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面分别设置Fe箔。
实施例4
本实施例提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将碳化硅陶瓷管和Incoloy 800H高温镍基合金管分别安装于摩擦焊接设备夹具上，夹紧夹具使不产生晃动，使碳化硅陶瓷管中心线和高温镍基合金管中心线处于同一水平线上，对碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管焊接面分别进行除锈、除氧化皮和除油清洁处理；碳化硅陶瓷管外径为30mm，厚度为5mm，长度为0.3m，高温镍基合金管外径为30mm，厚度为5mm，长度为0.3m；
步骤二、将钛粉和镍粉经湿法搅拌混合和干燥处理后，得到Ti/Ni混合粉末，将所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管的焊接面，分别得到厚度均为200μm的Ti/Ni涂层；具体包括：
步骤201、将钛粉和镍粉按照质量比为2:3混合置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀；无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；
步骤202、向步骤201混合均匀后体系中加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系；去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；超声分散的频率为20Hz，超声分散时间为10h；
步骤203、80℃温度条件下，将步骤202所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；所述搅拌的时间可以为7h；
步骤204、将步骤203筛分后粉体在120℃烘箱中烘干80min，得到Ti/Ni混合粉末；
步骤205、将步骤204所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面；所述超音速火焰喷涂工艺中，助燃剂氧气流量均为160L/min，燃气丙烷流量为120L/min，送粉气体氮气流量为100L/min，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离为800mm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，依次经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接，其中，一级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为100MPa，摩擦时间为8秒；二级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为140MPa，摩擦时间为5秒；顶锻阶段压力为300MPa，顶锻时间为8秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成陶瓷和镍基合金的焊接；所述热处理具体包括：以300℃/h的升温速率升至900℃，保持3h，以300℃/h的降温速率降至室温，所述室温为20℃～25℃。
实施例5
本实施例提供一种焊接陶瓷和镍基合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、将碳化硅陶瓷管和Incoloy 800H高温镍基合金管分别安装于摩擦焊接设备夹具上，夹紧夹具使不产生晃动，使碳化硅陶瓷管中心线和高温镍基合金管中心线处于同一水平线上，对碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管焊接面分别进行除锈、除氧化皮和除油清洁处理；碳化硅陶瓷管外径为150mm，厚度为20mm，长度为0.3m，高温镍基合金管外径为150mm，厚度为20mm，长度为0.3m；
步骤二、将钛粉和镍粉经湿法搅拌混合和干燥处理后，得到Ti/Ni混合粉末，将所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至碳化硅陶瓷管焊接面和高温镍基合金管的焊接面，分别得到厚度均为100μm的Ti/Ni涂层；具体包括：
步骤201、将钛粉和镍粉按照质量比为1:1混合置于无水乙醇中，搅拌至混合均匀；无水乙醇的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；
步骤202、向步骤201混合均匀后体系中加入去离子水，在超声分散仪中进行充分分散，得到分散体系；去离子水的质量为钛粉和镍粉质量之和的500倍；超声分散的频率为40Hz，超声分散时间为6h；
步骤203、100℃温度条件下，将步骤202所述分散体系在桨叶式搅拌器中充分搅拌至体系干燥，烘干，筛分；所述搅拌的时间可以为8h；
步骤204、将步骤203筛分后粉体在160℃烘箱中烘干40min，得到Ti/Ni混合粉末；
步骤205、将步骤204所述Ti/Ni混合粉末利用超音速火焰喷涂工艺喷涂至所述碳化硅陶瓷管的焊接面和高温镍基合金管的焊接面；所述超音速火焰喷涂工艺中，助燃剂氧气流量均为160L/min，燃气丙烷流量为120L/min，送粉气体氮气流量为100L/min，喷枪移动速度为80mm/s，喷涂距离为800mm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，依次经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接，其中，一级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为100MPa，摩擦时间为8秒；二级加压的转速为1800转/分，摩擦压力为140MPa，摩擦时间为5秒；顶锻阶段压力为300MPa，顶锻时间为8秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成陶瓷和镍基合金的焊接；所述热处理具体包括：以300℃/h的升温速率升至900℃，保持3h，以300℃/h的降温速率降至室温，所述室温为20℃～25℃。
性能测试：
图1为实施例1完成陶瓷和镍基合金焊接后焊件的接头金相照片，根据图1可以看出焊接接头界面结合紧密，清晰平直，表明采用本发明方法得到陶瓷和镍基合金的异种焊接件的焊接界面具有良好的力学性能。
将实施例1～5和对比例1～6所得焊件力学性能分别进行测试，测试方法依据《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》(NB/T 47016-2011)，利用电子万能材料试验机对试样进行拉伸强度试验，每个试样对应标准拉伸试样6个，取平均值，测试结果见表1。根据表1可知，采用本发明焊接方法进行焊接的焊接接头抗拉强度均远高于相应利用钎焊和以Fe箔作为过渡层的摩擦焊工艺进行焊接的焊接接头力学性能，采用本发明焊接方法进行焊接的焊接接头拉伸试样断裂位置在碳化硅陶瓷管处，而不是在焊缝处，表明采用本发明焊接工艺焊接的陶瓷和镍基合金的异种焊接件的焊接界面具有良好的力学性能。
表1焊件焊接接头抗拉强度
抗拉强度MPa
焊缝断裂位置
对比例1
526.5
焊缝
对比例2
541.9
焊缝
实施例1
712.8
碳化硅陶瓷管
对比例3
523.8
焊缝
对比例4
545.8
焊缝
实施例2
724.9
碳化硅陶瓷管
对比例5
531.8
焊缝
对比例6
549.5
焊缝
实施例3
738.6
碳化硅陶瓷管
实施例4
725.8
碳化硅陶瓷管
实施例5
748.0
碳化硅陶瓷管
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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