TC4/SiC扩散焊接工艺研究

摘　要：陶瓷/金属连接构成的复合构件作为结构材料可以获得金属、陶瓷的性能互补，并降低复合材料的成本。本课题依据固相压力扩散焊接机理及特点，进行钛合金(Ti-6Al-4V)和碳化硅陶瓷(SiC)的扩散焊接工艺研究，并取得了初步结果。
关键词：扩散焊接　碳化硅陶瓷　钛合金

Study on TC4/SiC Diffusion Bonding Technology

ABSTRACT：Whereas the use of ceramic/metal complex as structure material further results in complementarity of the both materials as well as reduces composite manufacturing cost. Based on mechanisms and features of the diffusion bonding, this article studies the diffusion bonding technology for alloy(TC4) and ceramic(SiC). The research has already obtained preliminary results.
Keywords：Diffusing bonding　Carbolon ceramic　Titanium alloy▲

　　在先进的制造业中，陶瓷/金属连接构成的复合结构件可以获得金属、陶瓷性能互补的优势，满足现代工程的需要。陶瓷与金属的连接方式一般有机械连接、粘接和焊接等3种。但考虑到连接件(复合构件)的使用温度、气密性及复杂承载和可靠性等因素，选择陶瓷/金属的焊接连接工艺较为合适。焊接连接主要有烧釉连接、烧结金属粉末法、熔焊、摩擦焊及固相压力扩散焊和钎焊等多种方法。综合各种焊接方法形成的焊接接头的性能以及工艺特点、机理的成熟性及工艺成本等因素后认为，用固相压力扩散焊接的工艺实现陶瓷/金属的连接有其实际意义。本课题就某一航天器碳化硅(SiC)陶瓷喷管与钛合金(TC4)零件的连接，进行固相压力扩散焊的工艺研究。

1　SiC/TC4扩散焊接工艺试验

1.1　固相压力扩散焊的机理^［1］
　　在一定的压力下陶瓷/金属紧密接触，接触点间的距离可以达到原子间距范围，并在界面形成金属键及化学键，建立原子相互扩散的条件。如加上一定温度，界面的原子处于高度激活状态，扩散迁移明显，通过回复、再结晶及晶界变化，而使界面形成牢固的冶金接头。影响扩散焊接的主要因素有：
　　(1)温度　依据经典扩散理论，扩散系数D是温度的指数函数：D＝D₀e^－Q／RT(式中：D₀为扩散常数，R为气体常数，Q为扩散激活能，T为扩散温度)，加热温度要受到被焊接材料组织晶粒大小的限制。根据资料^［2］，扩散温度的经验公式为T=（0．6～0．8）T_m，其中T_m为被焊零件材料中的最低熔点。
　　(2)压力　压力能使表面微观凸起产生塑性变形，起到使界面紧密接触、激活界面原子、加速扩散及弥合界面孔洞的作用。加压范围从0.04～350MPa不等。在某些情况下，压力还有利于防止扩散孔洞的产生。实际使用中应充分考虑陶瓷/金属间的热应力及陶瓷的低塑性。
　　(3)焊接表面状态　扩散焊连接机理有点类似于压力烧结机理，即具有界面塑性变形、物质传输(表面扩散、体积扩散、晶界扩散)及蠕变等阶段，所以要求接触界面无氧化层及其他污染物，待焊面的接触面积越大越好。
　　(4)时间　扩散连接所需保温时间与温度及压力有密切关系，同时也与有无中间扩散层或扩散层厚度和对连接接头成分、组织均匀度的要求有关。在本课题条件下，扩散连接接头的强度、塑性、延伸率和冲击韧性与时间的关系是，在连接开始的几分钟随时间的增加而增加，达到一定时间后，即趋于稳定，不再有明显的增长。
1.2　试验要求与装置
　　本工艺试验的目的是对如图1所示的某航天器SiC喷管外的端面A与钛合金(TC4，晶粒尺寸6～8μm)件的端面B(图2)进行扩散焊接。要求此陶瓷/金属接头必须能在一定压力和高温下定时使用。图3为试验装置简图(加压油缸由加压架支承，图中未画出。另外，容器盖等处有冷却装置，图中也未画出)。

图1　某航天器陶瓷喷管简图
Fig.1　Ceramic nozzle of a kind of space vehicle

图2　钛合金(TC4)零件简图
Fig.2　A part made of Ti Alloy(TC4)

图3　扩散焊接试验装置简图

Fig.3　Test device for diffusion bonding
1.加压油缸；2.压杆；3.真空机组；4.温控系统；
5.电炉盖板；6.高温密封圈；7.电炉；8.真空室；
9.中间层；10.垫板；11.下夹具；12.SiC件；
13.钛合金件；14.上夹具；15.氩气源；16.垫块；
17.容器盖；18.波纹管。

1.3　试验方法与过程
1.3.1　试验方法
　　材料间的扩散连接分为同类材料无中间层的扩散连接、不同类材料的无中间扩散层的扩散连接和加中间扩散层的扩散连接以及过渡液相的扩散连接等几种方式^［3］。根据本接头为异种材料及材料的性质，试验采用加中间扩散层的工艺方法。中间扩散层的选择(设计)至关重要，其设计原则为：(1)熔点高，耐高温性能好；(2)能与碳化硅反应生成牢固的耐高温界面；(3)为减少接头的残余应力，中间层的热膨胀系数应与陶瓷相匹配；(4)避免与基体材料产生不希望的冶金反应。考虑以上四条原则，中间扩散层材料选择镍箔，添加适量的高纯硅。因为镍箔与碳化硅陶瓷有较好的湿润功能，且其热膨胀系数与碳化硅也较匹配，而硅元素又可降低接头处材料的熔点，有益于降低扩散焊接温度。
1.3.2　试验工艺参数的确定及工艺过程
　　如前所述，温度、压力、保温时间、连接工件的表面状态是影响扩散连接过程和接头质量的主要因素。考虑到TC4材料与SiC材料的熔点(TC4的熔点为1600℃左右)，扩散焊接温度选择在950～1050℃之间。在确保焊接接头不产生畸变的情形下，尽量加大压力，根据本试验件的尺寸大小，采用6.0～8.0MPa。保温时间根据温度高低和加压大小定在0.75～1h。TC4件的表面采用车削加工，其焊接端面的表面粗糙度Ra在0.4～0．8μm之间；SiC件表面磨削加工后采用化学浸蚀方法消除其表面的氧化膜等。
　　扩散焊接过程中，焊接件界面无污染物至关重要，因而采取了高纯度的氩气保护以防止氧化，扩散焊接过程在真空度达到10^－3Pa的真空室中进行(真空度靠机械泵和扩散泵来保证)。
　　扩散焊接的工艺过程如图4所示(在加温及扩散焊和降温过程中，真空室里始终充满氩气)。

图4　扩散焊接工艺流程
Fig.4　Process flow of diffusion bonding welding

2　试验结果及分析

　　按照以上的方法及参数共进行了6个接头分为3组的焊接工艺试验。焊接接头成品未进行接头处的微观观察，只进行了宏观的使用条件下的检测，其结果见表1。

表1　检测结果