一种玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法。


背景技术：

2.氧化锆陶瓷具有高硬度、高强度、高韧性、良好的耐腐蚀等诸多优点，广泛应用于机械、化工、航空航天等领域。然而，由于陶瓷材料其本征脆性和难于机械加工等缺点,为了构建复杂形状和大尺寸的陶瓷部件,往往需要采用连接技术。
3.在各种陶瓷材料的连接方法中,由于玻璃焊料与陶瓷之间具有良好的化学相容性，因而玻璃连接更适合陶瓷本身的连接。然而，传统玻璃连接方法的原理与钎焊类似，焊缝组织结构及理化性质与母材相比存在较大差异，例如焊缝的热膨胀系数、弹性模量、软化温度等均与陶瓷母材存在较大差异，进而导致接头热震抗力和耐高温性有所不足。本发明根据液体向多晶固体中的渗透原理，提出了一种基于玻璃焊料的渗透连接氧化锆陶瓷的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是要获得与陶瓷母材组织结构相似的接头连接层，进而改善接头强度、热震抗力和使用温度。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法，该方法采用玻璃焊料对氧化锆陶瓷母材进行渗透连接，所述玻璃焊料按重量百分比计的组分如下：
7.cao：30％～38％，tio2：20％～26％，reo：5％～10％，b2o3：1
‑
5％，li2o:1
‑
5％；sio2：34％～44％。
8.优选的是，所述reo为la2o3、y2o3、nd2o3、dy2o3和ho2o3中的一种或几种。
9.所述玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法，具体包括如下步骤：
10.(1)材料准备：对待焊氧化锆陶瓷表面进行打磨、抛光，以丙酮为介质进行超声清洗5
‑
20min，吹干备用。
11.(2)玻璃焊料制备：按照玻璃焊料的组成称量各氧化物原料，均匀混合后采用熔融
‑
水淬法制备玻璃焊料粉体；
12.(3)焊料预烧结：向玻璃粉中加入聚乙烯醇并搅拌均匀，然后放入压片模具中压制成具有一定厚度的片状结构，再放入马弗炉中预烧结，得到玻璃焊料片；
13.(4)接头装配：将预烧结好的玻璃焊料片切割成与待焊陶瓷表面尺寸相同的形状，再放置于两块抛光好的氧化锆陶瓷之间，形成“三明治”装配结构，连接过程中不使用任何压力；
14.(5)接头连接：将经步骤(4)装配好的接头放入空气气氛的马弗炉中快速加热至焊接温度，快速加热的目的是防止玻璃焊料在保温前过渡渗透。加热至焊接温度保温足够长的时间，以保证玻璃焊料与陶瓷晶粒均匀混合；保温结束后，接头随炉冷却至室温。
15.所述步骤(1)中，打磨抛光方法为，依次采用400#、800#、1200#砂纸打磨，之后依次采用粒度为2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光。
16.所述步骤(2)中，玻璃焊料的制备过程为：将称量好的氧化物原料粉体放入聚四氟乙烯球磨罐中，以酒精为球磨介质，zro2为磨球进行球磨，球磨转速为400
‑
500转/min，球磨时间为2
‑
5h；球磨完成后对复合粉体进行烘干，烘干后的物料倒入铂金坩埚中，并放入空气气氛的马弗炉中加热至1500
‑
1600℃，保温1
‑
3h后将所得玻璃熔体倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块；将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中，以玛瑙为磨球进行球磨，球磨转速为400
‑
500转/min，球磨时间为2
‑
5h，球磨完成后烘干，过200目筛即得到所述玻璃粉体。
17.所述步骤(3)中，加入聚乙烯醇的重量为玻璃粉重量的1
‑
5％。压制工艺为：压强为20
‑
40mpa、保压时间为1
‑
5min。烧结工艺为：升温速率为5～10℃/min，保温温度为750～850℃，保温时间为30～60min。预烧结的目的是使玻璃焊料片烧结致密化，减少焊料粉体中包裹的气体含量。
18.所述步骤(3)中，得到的玻璃焊料片的厚度为0.1～0.3mm，热膨胀系数为7～10
×
10
‑6/℃，该焊料在氧化锆陶瓷表面的润湿角小于10
°
。
19.所述步骤(5)中，装配好的结构在马弗炉中的加热速度为30
‑
60min/min，接头连接温度为1350
‑
1500℃，保温时间为40
‑
90min。
20.所述步骤(5)中，接头冷却至室温后，可再次将接头加热至晶化温度900
‑
1100℃，保温1
‑
4h，以促进接头连接区母材陶瓷晶粒间玻璃相的晶化。
21.本发明的设计机理及有益效果如下：
22.1、本发明设计出了一种热膨胀系数与氧化锆陶瓷接近的、在氧化锆陶瓷表面具有良好润湿性和渗透性的玻璃焊料。该成分的玻璃焊料熔化后与氧化锆陶瓷具有较小的界面张力、良好的润湿性以及较快的渗透速度。如图1所示，当σ
ss
/σ
sl
＞2时，液态的玻璃能够渗透进入多晶氧化锆陶瓷中。本发明所述的玻璃焊料与氧化锆陶瓷之间具有较小的固液界面张力，因而具有良好的渗透性。
23.2、本发明在玻璃焊料片的预烧结工艺中，以5
‑
10℃/min的升温速度加热至750
‑
850℃，保温30
‑
60min。预烧结的目的是使玻璃焊料片烧结致密化，减少焊料粉体中包裹的气体含量。
24.3、本发明在接头连接过程中，将装配好的接头放入马弗炉中进行加热，并快速加热至焊接温度，快速加热的目的是防止玻璃焊料在保温前过渡渗透。加热至焊接温度后保温足够长的时间。在保温过程中，一方面玻璃焊料向陶瓷母材中渗透，同时陶瓷母材晶粒由于浮力和重力的作用也会发生运动，只有两者共同作用才能保证玻璃焊料与陶瓷晶粒的均匀混合，进而实现渗透连接。
25.4、本发明提出的渗透连接方法能够消除传统玻璃连接方法存在的钎缝，能够获得由“母材晶粒 玻璃焊料”组成的接头连接层，接头连接层的组织结构、热膨胀系数、弹性模量等理化性质与陶瓷母材十分接近。因此本发明能够获得高强度、低应力、高热震抗力和高耐热性的氧化锆陶瓷接头。
附图说明
26.图1为渗透过程的界面张力示意图。
27.图2为实施例1获得的氧化锆陶瓷接头微观结构照片；其中(a)与(b)为不同的放大倍数。
28.图3为对比例1获得的氧化锆陶瓷接头微观结构照片。
29.图4为对比例2获得的氧化锆陶瓷接头微观结构照片片；其中(a)与(b)为不同的放大倍数。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.实施例1
32.本实施例为玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法，包括以下步骤：
33.(1)材料准备：依次采用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊氧化锆陶瓷表面，然后依次采用粒度为2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石抛光膏抛光待焊陶瓷表面。抛光后的氧化锆陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗20min，然后吹干备用。
34.(2)玻璃焊料制备：所用玻璃焊料的组分和质量分数为：cao：32％，tio2：23％，dy2o3：5％，b2o3：3％，sio2：37％。按上述比例称量氧化物原料，并放入聚四氟乙烯球磨罐中以酒精为球磨介质，zro2为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为4h。球磨完成后在70℃的真空干燥箱中烘干2h。烘干后的原料倒入铂金坩埚中，并放入马弗炉中加热至1550℃。保温2h时间后将玻璃熔体倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块。将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中球磨，球磨转速为500转/min，球磨时间为4h。球磨完成后烘干，过200目筛，备用。
35.(3)焊料预烧结：向玻璃粉中加入重量百分比为2％的聚乙烯醇并搅拌均匀，然后放入压片模具中压制成厚度为0.2mm的片状，再放入马弗炉中以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温30min，使焊料烧结致密化，最后随炉冷却至室温备用。
36.(4)接头装配：将预烧结好的玻璃焊料片切割成与待焊陶瓷表面尺寸相同的形状，再放置于两块抛光好的氧化锆陶瓷之间，形成“三明治”结构，，连接过程中不使用任何压力。
37.(5)接头连接：将装配好的接头放入空气气氛的马弗炉中进行加热，连接过程中不使用任何压力。以30℃/min的升温速度快速加热至1400℃保温50min。保温结束后，接头随炉冷却至室温。
38.图2为实施例1所获得的氧化锆陶瓷接头微观结构照片，从图中可以看到，玻璃焊料已经全部渗透进入母材之中，并形成了良好的连接。接头不存在孔洞、裂纹等缺陷。从接头中心区到母材侧，玻璃相的含量逐渐减少，母材晶粒含量逐渐增多，呈梯度过渡结构。
39.实施例2
40.本实施例为玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法，包括以下步骤：
41.(1)材料准备：依次采用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊氧化锆陶瓷表面，然后依次采用粒度为2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石抛光膏抛光待焊陶瓷表面。抛光后的氧化锆陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗20min，然后吹干备用。
42.(2)玻璃焊料粉体制备：所用玻璃焊料的组分和质量分数为：cao：32％，tio2：
23％，nd2o3：5％，b2o3：3％，sio2：37％。按上述比例称量氧化物原料，并放入聚四氟乙烯球磨罐中以酒精为球磨介质，zro2为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为4h。球磨完成后在70℃的真空干燥箱中烘干2h。烘干后的原料倒入铂金坩埚中，并放入马弗炉中加热至1550℃。保温2h时间后将玻璃熔体倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块。将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中球磨，球磨转速为500转/min，球磨时间为4h。球磨完成后烘干，过200目筛，得到玻璃焊料粉体。
43.(3)焊料预烧结：向玻璃粉中加入聚乙烯醇并搅拌均匀，然后放入压片模具中压制成厚度为0.2mm的片状，再放入马弗炉中以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温30min，使焊料烧结致密化，最后随炉冷却至室温，得到玻璃焊料片。
44.(4)接头装配：将预烧结好的玻璃焊料片切割成与待焊陶瓷表面尺寸相同的形状，再放置于两块抛光好的氧化锆陶瓷之间，形成“三明治”结构，连接过程中不使用任何压力。
45.(5)接头连接：将装配好的接头放入空气气氛的马弗炉中进行加热，连接过程中不使用任何压力。以30℃/min的升温速度快速加热至1400℃保温40min。保温结束后，接头随炉冷却至室温，得到玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷。
46.实施例3
47.本实施例为玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷的方法，包括以下步骤：
48.(1)材料准备：依次采用400#、800#、1200#砂纸打磨待焊氧化锆陶瓷表面，然后依次采用粒度为2.5μm、1.5μm、0.5μm的金刚石抛光膏抛光待焊陶瓷表面。抛光后的氧化锆陶瓷以丙酮为介质进行超声清洗20min，然后吹干备用。
49.(2)玻璃焊料粉体制备：所用玻璃焊料的组分和质量分数为：cao：38％，tio2：20％，nd2o3：5％，b2o3：1％，sio2：36％。按上述比例称量氧化物原料，并放入聚四氟乙烯球磨罐中以酒精为球磨介质，zro2为磨球进行球磨，球磨转速为450转/min，球磨时间为4h。球磨完成后在70℃的真空干燥箱中烘干2h。烘干后的原料倒入铂金坩埚中，并放入马弗炉中加热至1550℃。保温2h时间后将玻璃熔体倒入去离子水中，进而获得玻璃碎块。将玻璃碎块放入玛瑙球磨罐中球磨，球磨转速为500转/min，球磨时间为4h。球磨完成后烘干，过200目筛，得到玻璃焊料粉体。
50.(3)焊料预烧结：向玻璃粉中加入聚乙烯醇并搅拌均匀，然后放入压片模具中压制成厚度为0.2mm的片状，再放入马弗炉中以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温30min，使焊料烧结致密化，最后随炉冷却至室温，得到玻璃焊料片。
51.(4)接头装配：将预烧结好的玻璃焊料片切割成与待焊陶瓷表面尺寸相同的形状，再放置于两块抛光好的氧化锆陶瓷之间，形成“三明治”结构，连接过程中不使用任何压力。
52.(5)接头连接：将装配好的接头放入空气气氛的马弗炉中进行加热，连接过程中不使用任何压力。以30℃/min的升温速度快速加热至1450℃保温40min。保温结束后，接头随炉冷却至室温，得到玻璃焊料渗透连接氧化锆陶瓷。
53.对比例1
54.步骤(5)中保温时间为10min，其他步骤均与实施例1相同。由于保温时间短，焊料没有完全渗透进入氧化锆陶瓷中，进而形成了玻璃态的钎缝，见图3。
55.对比例2
56.步骤(5)中升温速度为5℃/min，其他步骤均与实施例1相同。由于升温速度慢，玻
璃焊料在加热过程中已经渗透进入了氧化锆陶瓷基体，进而导致未能在接头处形成有效连接，接头微观结构见图4。因此必须采用较快的升温速度，保证在保温过程中，焊缝中有液态焊料存在，这样母材晶粒和焊料才能产生相对运动，进而均匀混合，形成可靠连接。
57.实施例1、实施例2、实施例3、对比例1及对比例2获得的接头力学性能数据见表1。从表中可以看到，实施例1、实施例2、实施例3均获得了优异的室温强度、高温强度及热震循环后的强度。对比例1由于获得了玻璃态的焊缝，其高温强度显著下降。同时由于母材和焊料之间热膨胀系数不匹配，导致接头热震循环后强度较低。对比例2由于未能形成有效连接，接头室温强度、高温强度及热震循环后的强度均最低。
58.表1 实施例与对比例的接头弯曲强度数据
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