一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷不锈钢钎焊接头的制备方法与流程

专利2022-05-09  2



1.本发明涉及一种氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法。


背景技术:

2.氮化硅陶瓷(si3n4)是一种高强度、高硬度、耐磨、抗氧化并能自润滑的高温陶瓷,成为最有希望在高科技领域中能得到广泛应用的候选材料,并且si3n4具有优异的耐腐蚀性能,如耐酸、熔盐的腐蚀等,因此可服役于较为苛刻的腐蚀环境中。但由于si3n4陶瓷本身脆性大,限制了它的发展,而金属材料具有优良的室温强度和延展性,如果能将两种材料结合起来,制造出满足要求的复杂构件,将会使si3n4陶瓷的应用获得重大突破,国内外的学者对此进行了广泛的研究和探讨。316l不锈钢(022cr17ni12mo2)属于18

8型奥氏体不锈钢的衍生钢种,添加有2%~3%的mo元素,因其优异的耐腐蚀性在化工行业有着广泛的应用,316l的mo含量使得该钢种拥有优异的抗点蚀能力,可以安全的应用于含cl

等卤素离子环境,是海洋环境下常选材料。由于316l不锈钢具有良好的可加工性,因此如果实现si3n4陶瓷与316l不锈钢的连接,充分发挥两者的优点,制成可靠的复合构件,可以极大的扩展这两者的应用,尤其是在海洋环境条件下的使用。因此si3n4/316l复合构件有望代替纯316l不锈钢构件,提高构件使用寿命,降低生产成本。
3.有关氮化硅陶瓷与金属的连接包括活性金属钎焊、瞬时液相连接、扩散焊、氧化物玻璃连接以及氧氮玻璃连接等方法。目前的研究结果表明,采用活性金属钎焊的方法最为常用,钎料ag69cu28ti3(wt.%)和ag28cu(wt.%)作为两种普适商用钎料,虽然连接效果好,但往往因钎料以及金属母材自身的膨胀系数过大,导致氮化硅陶瓷因承受较大残余应力而开裂,且钎料自身并不耐腐蚀。为此,研制出适合陶瓷和金属连接的复合钎料层十分有必要。


技术实现要素:

4.本发明是要解决现有的氮化硅陶瓷与金属的活性金属钎焊时因钎料以及金属母材自身的膨胀系数过大,导致氮化硅陶瓷因承受较大残余应力而开裂,且钎料自身并不耐腐蚀的技术问题,而提供一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法。
5.本发明的具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法如下:
6.一、将母材si3n4陶瓷的待焊接面依次用300#金相砂纸、600#金相砂纸和1000#金相砂纸打磨至光滑,在丙酮中超声震荡3min~5min,然后放入烘箱中烘干;
7.二、将母材316l不锈钢依次用600#sic砂纸和#1000sic砂纸打磨去除表面氧化层,然后依次用800#金相砂纸和1000#金相砂纸进行打磨至光亮,之后在丙酮中超声震荡清洗3min~5min,最后将材料放入烘箱中烘干;
8.对x金属箔片、ag箔片、钎料agcuti和钎料agcu分别重复步骤二中上述的操作;所述的x金属箔片中的x为mo、w、cr或nb;
9.三、将步骤一和步骤二中烘干好的材料按照母材316l不锈钢/agcu/ag/x/ag/agcuti/母材si3n4陶瓷的结构进行装配,在进行装配时每两层之间用有机胶进行粘结,自然放置待有机胶凝固;
10.四、将步骤三制备的接头放入石墨磨具中,母材si3n4陶瓷位于上方,在母材si3n4陶瓷的上表面放置石墨块进行物理加压;
11.五、将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min~50min内升温至300℃~350℃并保稳20min~25min,然后以7.5℃/min~8℃/min升温至钎焊温度并且保温10min~15min,最后以5℃/min~6℃/min降低到280℃~300℃,随炉冷却,即完成连接;
12.所述的钎焊温度为900℃~950℃。
13.本发明拟以钎料agcuti和agcu为基础,研制出适合连接氮化硅陶瓷与316l不锈钢的复合钎料层,agcuti钎料和ag箔、agcu钎料和ag箔发生互溶,在mo两侧都形成ag基固溶体,可降低接头的残余应力以及提高接头整体耐蚀性。
14.x金属箔片以mo箔片为例,mo箔片的厚度应根据不同焊件尺寸大小进行调整。陶瓷侧残余应力因mo箔片厚度的增大而减小(陶瓷侧残余应力与其他金属做中间层的厚度关系应进行有限元模拟,在做出厚度选择)。
附图说明
15.图1为试验一的步骤三制备的接头的装配示意图,1为si3n4陶瓷,2为钎料agcuti,3为ag箔片,4为mo箔片,5为钎料agcu,6为316l不锈钢;
16.图2为试验一的步骤五制备的接头sem图;
17.图3为试验一的步骤五制备的接头腐蚀后的sem图;
18.图4为传统agcuti作为钎料,钎焊si3n4和316l不锈钢接头的残余应力仿真云图;
19.图5为试验一的步骤五制备的接头的残余应力仿真云图。
具体实施方式
20.具体实施方式一:本实施方式为一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,具体过程如下:
21.一、将母材si3n4陶瓷的待焊接面依次用300#金相砂纸、600#金相砂纸和1000#金相砂纸打磨至光滑,在丙酮中超声震荡3min~5min,然后放入烘箱中烘干;
22.二、将母材316l不锈钢依次用600#sic砂纸和#1000sic砂纸打磨去除表面氧化层,然后依次用800#金相砂纸和1000#金相砂纸进行打磨至光亮,之后在丙酮中超声震荡清洗3min~5min,最后将材料放入烘箱中烘干;
23.对x金属箔片、ag箔片、钎料agcuti和钎料agcu分别重复步骤二中上述的操作;所述的x金属箔片中的x为mo、w、cr或nb;
24.三、将步骤一和步骤二中烘干好的材料按照母材316l不锈钢/agcu/ag/x/ag/agcuti/母材si3n4陶瓷的结构进行装配,在进行装配时每两层之间用有机胶进行粘结,自然
放置待有机胶凝固;
25.四、将步骤三制备的接头放入石墨磨具中,母材si3n4陶瓷位于上方,在母材si3n4陶瓷的上表面放置石墨块进行物理加压;
26.五、将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min~50min内升温至300℃~350℃并保稳20min~25min,然后以7.5℃/min~8℃/min升温至钎焊温度并且保温10min~15min,最后以5℃/min~6℃/min降低到280℃~300℃,随炉冷却,即完成连接;
27.所述的钎焊温度为900℃~950℃。
28.具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行。其他与具体实施方式一相同。
29.具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一中所述的超声震荡的频率为40khz。其他与具体实施方式一或二相同。
30.具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一中所述的烘干为在80℃烘干2h。其他与具体实施方式一至三之一相同。
31.具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤二中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行。其他与具体实施方式四相同。
32.具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤二中所述的超声震荡的频率为40khz。其他与具体实施方式四相同。
33.具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤二中所述的烘干为在80℃烘干2h。其他与具体实施方式四相同。
34.具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤二中所述的钎料agcuti为ag69cu28ti3(wt.%)。其他与具体实施方式四相同。
35.具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤二中所述的钎料agcu为ag28cu(wt.%)。其他与具体实施方式四相同。
36.具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤三中所述的有机胶为502胶。其他与具体实施方式四相同。
37.具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤五中将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min内升温至300℃并保稳20min,然后以7.5℃/min升温至钎焊温度并且保温10min,最后以5℃/min降低到300℃,随炉冷却,即完成连接。其他与具体实施方式四相同。
38.具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式四不同的是:当步骤五的钎焊温度为950℃时,步骤二所述的钎料agcuti和钎料agcu的厚度均为100μm,ag箔片的厚度为2031.11μm,x金属箔片的厚度为100μm~500μm。其他与具体实施方式四相同。
39.具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式四不同的是:当步骤五的钎焊温度为900℃时,步骤二所述的钎料agcuti和钎料agcu的厚度均为100μm,ag箔片的厚度为305.47μm,x金属箔片的厚度为100μm~500μm。其他与具体实施方式四相同。
40.用以下试验对本发明进行验证:
41.试验一:本试验为一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,具体过程如下:
42.一、将母材si3n4陶瓷的待焊接面依次用300#金相砂纸、600#金相砂纸和1000#金相砂纸打磨至光滑,在丙酮中超声震荡3min,然后放入烘箱中烘干;步骤一中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行;步骤一中所述的超声震荡的频率为40khz;步骤一中所述的烘干为在80℃烘干2h;
43.二、将母材316l不锈钢依次用600#sic砂纸和#1000sic砂纸打磨去除表面氧化层,然后依次用800#金相砂纸和1000#金相砂纸进行打磨至光亮,之后在丙酮中超声震荡清洗3min,最后将材料放入烘箱中烘干;步骤二中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行;步骤二中所述的超声震荡的频率为40khz;步骤二中所述的烘干为在80℃烘干2h;步骤二中所述的钎料agcuti为ag69cu28ti3(wt.%);步骤二中所述的钎料agcu为ag28cu(wt.%);步骤二所述的钎料agcuti和钎料agcu的厚度均为100μm,ag箔片的厚度为305.47μm,mo箔片的厚度为500μm;
44.对mo箔片、ag箔片、钎料agcuti和钎料agcu分别重复步骤二中上述的操作;
45.三、将步骤一和步骤二中烘干好的材料按照母材316l不锈钢/agcu/ag/mo/ag/agcuti/母材si3n4陶瓷的结构进行装配,在进行装配时为了钎料层装配稳定,每两层之间用502胶进行粘结,自然放置待502胶凝固;
46.四、将步骤三制备的接头放入石墨磨具中,母材si3n4陶瓷位于上方,在母材si3n4陶瓷的上表面放置石墨块进行物理加压,避免升温过程中因金属钎料融化而导致母材脱离原先位置,致使焊接效果大打折扣;
47.五、将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min内升温至300℃并保稳20min,以便将接头中的有机胶挥发干净,然后以7.5℃/min升温至钎焊温度并且保温10min,最后以5℃/min降低到300℃,随炉冷却,即完成连接;
48.所述的钎焊温度为900℃。
49.对试验一的步骤五制备的接头性能进行剪切强度评价,得到的接头室温强度为80.31mpa。
50.图2为试验一的步骤五制备的接头sem图,可以观察到agcuti钎料和ag箔、agcu钎料和ag箔发生互溶,在mo两侧都形成ag基固溶体。
51.为了观察接头腐蚀后的形貌,对试验一的步骤五制备的接头进行腐蚀:采用动电位极化的方法对接头进行加速腐蚀,所使用的仪器为电化学工作站,其中铂电极作为对电极,接头为工作电极,饱和甘汞电极为标准电极,3.5wt.%的nacl水溶液为电解溶液,所测试接头的横截面积为4
×
8mm2,测试电压范围为

0.3v~0.3v,扫描速率为5mv/s。腐蚀之后的sem形貌如图3所示,整个焊缝区没有较大的孔洞出现,整体接头呈现出较好的耐蚀性。
52.图4为传统agcuti作为钎料,钎焊si3n4和316l不锈钢接头的残余应力仿真云图;
53.图5为试验一的步骤五制备的接头的残余应力仿真云图。可以看到采用试验一的agcu/ag/mo/ag/agcuti复合钎料焊接si3n4和316l不锈钢接头的最大残余应力(165.4mpa)要明显小于传统agcuti作为钎料的接头最大残余应力(303.4mpa)。
54.试验二:本试验与试验一不同的是:步骤五中的钎焊温度为950℃,步骤二所述的ag箔片的厚度为2031.11μm。其它与试验一相同。
55.对试验二的步骤五制备的接头性能进行剪切强度评价,得到的接头室温强度为
63.36mpa。

技术特征:
1.一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法如下:一、将母材si3n4陶瓷的待焊接面依次用300#金相砂纸、600#金相砂纸和1000#金相砂纸打磨至光滑,在丙酮中超声震荡3min~5min,然后放入烘箱中烘干;二、将母材316l不锈钢依次用600#sic砂纸和#1000sic砂纸打磨去除表面氧化层,然后依次用800#金相砂纸和1000#金相砂纸进行打磨至光亮,之后在丙酮中超声震荡清洗3min~5min,最后将材料放入烘箱中烘干;对x金属箔片、ag箔片、钎料agcuti和钎料agcu分别重复步骤二中上述的操作;所述的x金属箔片中的x为mo、w、cr或nb;三、将步骤一和步骤二中烘干好的材料按照母材316l不锈钢/agcu/ag/x/ag/agcuti/母材si3n4陶瓷的结构进行装配,在进行装配时每两层之间用有机胶进行粘结,自然放置待有机胶凝固;四、将步骤三制备的接头放入石墨磨具中,母材si3n4陶瓷位于上方,在母材si3n4陶瓷的上表面放置石墨块进行物理加压;五、将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min~50min内升温至300℃~350℃并保稳20min~25min,然后以7.5℃/min~8℃/min升温至钎焊温度并且保温10min~15min,最后以5℃/min~6℃/min降低到280℃~300℃,随炉冷却,即完成连接;所述的钎焊温度为900℃~950℃。2.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤一中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行。3.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤一中所述的超声震荡的频率为40khz。4.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤一中所述的烘干为在80℃烘干2h。5.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤二中所述的超声震荡是在超声震荡仪中进行。6.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤二中所述的超声震荡的频率为40khz。7.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤二中所述的烘干为在80℃烘干2h。8.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤二中所述的钎料agcuti为ag69cu28ti3。9.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤二中所述的钎料agcu为ag28cu。10.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤三中所述的有机胶为502胶。11.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于步骤五中将步骤四的石墨模具放到真空钎焊炉中,抽真空至真空
度保持在6
×
10
‑6pa以上,然后在45min内升温至300℃并保稳20min,然后以7.5℃/min升温至钎焊温度并且保温10min,最后以5℃/min降低到300℃,随炉冷却,即完成连接。12.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于当步骤五的钎焊温度为950℃时,步骤二所述的钎料agcuti和钎料agcu的厚度均为100μm,ag箔片的厚度为2031.11μm,x金属箔片的厚度为100μm~500μm。13.根据权利要求1所述的一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,其特征在于当步骤五的钎焊温度为900℃时,步骤二所述的钎料agcuti和钎料agcu的厚度均为100μm,ag箔片的厚度为305.47μm,x金属箔片的厚度为100μm~500μm。
技术总结
一种具有抗腐蚀和应力缓解的氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法,涉及一种氮化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头的制备方法。本发明是要解决现有的氮化硅陶瓷与金属的活性金属钎焊时因钎料以及金属母材自身的膨胀系数过大,导致氮化硅陶瓷因承受较大残余应力而开裂,且钎料自身并不耐腐蚀的技术问题。本发明拟以钎料AgCuTi和AgCu为基础,研制出适合连接氮化硅陶瓷与316L不锈钢的复合钎料层,AgCuTi钎料和Ag箔、AgCu钎料和Ag箔发生互溶,在Mo两侧都形成Ag基固溶体,可降低接头的残余应力以及提高接头整体耐蚀性,腐蚀之后整个焊缝区没有较大的孔洞出现,整体接头呈现出较好的耐蚀性。整体接头呈现出较好的耐蚀性。整体接头呈现出较好的耐蚀性。


技术研发人员:张杰 郭松松 孙良博 刘春凤 方健
受保护的技术使用者:哈尔滨工业大学
技术研发日:2021.03.22
技术公布日:2021/6/25

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