專利名稱：一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，尤其適用于需要長時(shí)間真空耐壓密封、較高工作溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷及氧化鋁陶瓷-金屬(鋁、銅、不銹鋼及其各自的合金)結(jié)構(gòu)間的快捷、聞效及聞強(qiáng)的連接。
背景技術(shù)：
近年來，陶瓷因其具有高硬度、高強(qiáng)度、低密度、低熱膨脹系數(shù)以及良好的熱導(dǎo)率、抗化學(xué)腐蝕性，正被廣泛用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。例如，在生物醫(yī)療領(lǐng)域，基于其良好的耐高溫及耐化學(xué)腐蝕性能，陶瓷主要被用在牙科、生物傳感器以及嵌入式微系統(tǒng)等方面；在切削加工領(lǐng)域，基于其高硬度，陶瓷被廣泛用于切削刀具的生產(chǎn)；在核能領(lǐng)域，陶瓷材料也被廣泛的使用，如氮化硅陶瓷被廣泛用在國際熱核試驗(yàn)反應(yīng)裝置(ITER)工程中；在新能源領(lǐng)域，陶瓷也被大量的應(yīng)用，如固態(tài)氧化燃料電池(SOFCs)大量的使用了氧化鋯陶瓷；同時(shí)陶瓷也在國防裝備和航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。除了陶瓷在上述領(lǐng)域中發(fā)揮不可替換的作用外，消費(fèi)電子工業(yè)也是陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域，其被廣泛的用做功率器件模組的基底，以滿足大功率器件封裝散熱所帶來的強(qiáng)烈需求。盡管氧化鋁陶瓷作為一種迄今使用規(guī)模最大及范圍最廣的陶瓷材料被廣泛的使用在社會生產(chǎn)的各個(gè)方面。但氧化鋁陶瓷的可加工及成型能力差，因此氧化鋁陶瓷材料必須與其他材料一起加工成新的結(jié)構(gòu)以滿足上述特殊的需求，而這些復(fù)合結(jié)構(gòu)主要是陶瓷-陶瓷和陶瓷-金屬間的連接。但是陶瓷材料的連接性能或者接頭的可靠性受多方面因素影響:①被連接材料間的化學(xué)反應(yīng)活性；②材料原子結(jié)構(gòu)間的晶體學(xué)關(guān)系；③陶瓷與金屬間熱膨脹系數(shù)的失配性；④界面間的機(jī)械粘附能力；⑤界面的處理情況(粗糙度、表面污染);⑥接頭的環(huán)境相容性。如氧化鋁陶瓷與金屬鋁的連接，兩者的熔點(diǎn)相差極大(1000°c以上)，同時(shí)熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)也是相差懸殊，因此隨著技術(shù)的發(fā)展以及材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對連接接頭的性能提出了更多、更高的要求，這就使連接的工藝條件更加的苛刻；同時(shí)隨著全球能源的緊缺以及對環(huán)保關(guān)注度的提高，開發(fā)出能同時(shí)有效克服苛刻的連接工藝條件與節(jié)能環(huán)保這兩者之間矛盾的新連接方法是今后的必然發(fā)展趨勢。從陶瓷連接發(fā)展歷程來講，氧化鋁陶瓷連接的方法大致可分為三類:機(jī)械連接、固相連接及釬焊。機(jī)械連接主要包括鉸接和栓接兩種，但該方法獲得的接頭強(qiáng)度及密封性較差，同時(shí)加工復(fù)雜，因此不被廣泛的使用；固相連接包括摩擦焊、爆炸焊、超聲焊及擴(kuò)散焊。摩擦焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊因其工藝設(shè)備復(fù)雜和生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn)，不能很好的滿足綠色環(huán)保及節(jié)能減排的現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展要求。超聲波連接因其能夠用簡單的設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料的連接，此外并不需要釬劑或者粘結(jié)劑等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到愈來愈廣泛的關(guān)注。但是傳統(tǒng)的超聲焊接存在明顯缺陷，即機(jī)械沖擊損傷大，同時(shí)被連接金屬材料大多是相對軟的材料(Al、Cu、Mg 等)。
釬焊在氧化鋁陶瓷連接領(lǐng)域主要可分為兩類:一是直接釬焊(Mo-Mn法)，該方法的操作工藝復(fù)雜，需要經(jīng)過氧化鋁陶瓷表面的預(yù)金屬化，而且其接頭性能受工藝參數(shù)的控制精確度影響很大，同時(shí)該過程實(shí)現(xiàn)成本很高。二是活性釬焊，即采用添加活性元素(Zr、T1、Cr等)的釬料直接實(shí)現(xiàn)接頭的形成。盡管該方法能明顯的降低接頭形成溫度以及簡化連接工藝，但是該方法的不足之處是為了有效克服被連接材料間的物理性能差異，大部分接頭的獲得必須在長時(shí)間真空環(huán)境下完成。因此如何克服這些連接弊端是陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的難點(diǎn)，更重要的是獲得同質(zhì)或近似同質(zhì)相結(jié)構(gòu)的接頭是目前大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提供了一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，本發(fā)明的連接方法尤其適用于需要長時(shí)間真空耐壓密封、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷或氧化鋁陶瓷-金屬的連接，所述連接材料包括材質(zhì)相同或不同的母材一 I和母材二 2，該連接方法包括以下步驟:1、被連接材料進(jìn)行的表面處理:對母材一 1、母材二 2進(jìn)行打磨(機(jī)械方式)，以保證表面潔凈度(去除油污、附著物等)及粗糙度，中間層3采用超聲清洗I 5分鐘；I1、母材一(I)置于下層、母材二(2)置于上層及中間層(3)在中間組裝成“三明治”疊層結(jié)構(gòu)，構(gòu)成被連接試樣結(jié)構(gòu)；II1、在母材二 2上施加相對于所述連接界面的預(yù)壓力；IV、用加熱裝置對母材一 I與母材二 2的連接部位進(jìn)行局部快速加熱至設(shè)定溫度700 900。。；V、以超聲裝置對母材二 2施加相對于所述連接面的高頻超聲振動，超聲振動的頻率為15kHz 50kHz、振幅為5 μ m 40 μ m，超聲振動時(shí)間為O 1000秒；V1、超聲振動完成后，停止加熱并繼續(xù)保壓至所述連接部位冷卻至200+/-2(TC，力口速冷卻。加速冷卻措施不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以降低因熱膨脹系數(shù)失配造成的殘余應(yīng)力的不良影響。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述氧化鋁陶瓷可為工業(yè)生產(chǎn)中使用的多晶氧化鋁陶瓷，亦可為高純的單晶藍(lán)寶石，甚或其他陶瓷材料；上述氧化鋁陶瓷的純度優(yōu)選75 99%，上述聞純的單晶監(jiān)寶石優(yōu)選ct、β、Y等晶向。上述連接材料具體可以為:所述母材一 I為氧化鋁陶瓷、母材二 2為氧化鋁陶瓷；或者所述母材一 I為氧化鋁陶瓷、母材二 2為金屬材料中的一種；或者所述母材一 I為金屬材料中的一種、母材二 2為氧化鋁陶瓷；所述金屬材料優(yōu)選鋁、銅、不銹鋼或其任意兩種或兩種以上金屬的合金。上述步驟I中所述的打磨優(yōu)選機(jī)械方式，通過打磨以保證表面潔凈度(去除油污、附著物等)及粗糙度，所述超聲清洗時(shí)間為I 5分鐘；上述步驟II所述母材一 I或者母材二 2均可裝卡在底部固定尺寸卡具4上，本發(fā)明默認(rèn)為母材一 I裝夾在底部固定尺寸卡具4上，母材二 2通過可調(diào)尺寸卡具5實(shí)現(xiàn)與母材一 I配合，使二者的連接面相對并將中間層3置于所需被連接界面之間，構(gòu)成氧化鋁陶瓷一中間層一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一中間層一金屬的“三明治”結(jié)構(gòu)。
上述中間層3材料及尺寸優(yōu)選方案為:①為獲得最大程度的同質(zhì)接頭，優(yōu)選純鋁；如只需在一定程度上的性能提高，并且降低連接溫度，優(yōu)選鋁-鋅、鋁-銅、鋁-硅、鋁-鎂合金中的一種或幾種。②為獲得最佳的連接效果，所述中間層3的尺寸應(yīng)比被連接母材一 1、母材二 2接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上大0.5 2mm,并對稱向兩端伸出。③為縮短連接時(shí)間及更大程度的增強(qiáng)連接效果，所選中間層3的厚度為0.1 0.Smnin④中間層3的尺寸、形狀及物理狀態(tài)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合而優(yōu)化確定，所述中間層3的形狀為片狀、箔狀、條狀或塊狀。上述步驟III中所述預(yù)壓力的目的是增加接頭的緊密性，降低連接溫度的同時(shí)縮短連接時(shí)間；所述預(yù)壓力大小為0.5 3MPa，預(yù)壓力的施加應(yīng)均勻一致，避免局部集中上述步驟IV中所述局部快速加熱的目的是為了降低熱輸入量、節(jié)約能源并降低熱應(yīng)力膨脹失配所帶來的損傷，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫至預(yù)設(shè)時(shí)間。所述設(shè)定溫度應(yīng)高于中間層3熔點(diǎn)40°C 300°C ;所述加熱裝置的升溫速率為300 500°C /min。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在上述步驟IV將連接界面溫度升至設(shè)定溫度O 5秒后,并在此恒定溫度下開始步驟V的施加高頻超聲振動。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述被連接母材為塊狀、棒狀、片狀或板狀。其中焊接接頭方式可以為對接或搭接；對接或搭接上述連接材料時(shí)，上述步驟I VI中母材一 I與母材二 2橫向水平放置。上述加熱裝置可以為電磁感應(yīng)、微波或電阻加熱方式。上述超聲裝置可以為超聲壓桿或其他超聲方式。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)際操作中為精確控制加熱溫度，上述步驟IV中的加熱裝置還可以配備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控設(shè)備(紅外測溫或熱電偶測溫)，通過所述溫控裝置對加熱的被連接部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度控制。上述超聲壓頭可直接對連接結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力和焊接壓力，從而減少附加裝置，簡化設(shè)備及操作工藝，但必須防止因熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致超聲壓頭過熱損傷。本發(fā)明的有益效果是: 1、本發(fā)明的氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷及氧化鋁陶瓷-金屬材料間的連接方法采用快速的感應(yīng)加熱與功率超聲輔助相結(jié)合，能夠在有效提高連接效率的同時(shí)，高頻振動能夠有效的克服陶瓷連接過程中的局限性。一方面高頻振動能夠有效的減小因?yàn)榭焖偌訜岷屠鋮s所帶來殘余應(yīng)力集中的問題；另一方面超聲施加過程中能夠顯著有效的增強(qiáng)氧化鋁陶瓷連接過程中的潤濕性。與此同時(shí)，超聲波的聲流及空化效應(yīng)還能夠有效的去除材料表面的氧化膜及雜質(zhì)、減少氣孔等其他的缺陷，從而能夠快速形成高質(zhì)且可靠的接頭。2、本方法在大氣環(huán)境下進(jìn)行連接，克服了傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷接頭形成方法中需要高真空、高壓、高溫及長時(shí)間的難點(diǎn)。同時(shí)對被連接件表面粗糙度和清潔度要求不高，簡化了工藝；縮短了連接周期，降低了生產(chǎn)成本；并且因?yàn)榧訜釙r(shí)間短、加熱范圍小、所需連接壓力和超聲振動功率低，因而消耗能源較少，使連接生產(chǎn)效益更好。3、本連接方法無需使用任何添加試劑或者其他的輔助或保護(hù)措施，降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)也避免了添加試劑對環(huán)境的污染以及對操作人員健康造成的危害；此外，還避免了使用添加試劑時(shí)所形成接頭的電化學(xué)腐蝕以及反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生氣孔的潛在危險(xiǎn)，從而增加了連接接頭的可靠性。4、由于連接壓力小、溫度低以及焊接時(shí)間短，因此本方法特別適用于大面積或大尺寸薄板氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷-金屬的連接。5、本方法能夠在功率超聲場的作用下，在氧化鋁陶瓷一純鋁一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一純鋁一金屬接頭結(jié)構(gòu)中，通過超聲空化作用使得處于液相的中間層鋁材料自身氧化，從而形成氧化鋁陶瓷顆粒，通過超聲振動使其粒徑相近并均勻地彌散分布于接頭內(nèi)，構(gòu)成氧化鋁陶瓷相自身過渡連接的效果，并與氧化鋁陶瓷表面原位外延生成的陶瓷相一起構(gòu)成與被連接氧化鋁陶瓷同質(zhì)或近似同質(zhì)的接頭結(jié)構(gòu)，接頭內(nèi)陶瓷相占比達(dá)90%以上，陶瓷相中間填充鋁。所獲得的接頭結(jié)構(gòu)具有高密封性(接頭合率> 95% )、高強(qiáng)度(普通氧化鋁陶瓷連接接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)70 90MPa)、寬泛服役溫度范圍的優(yōu)異性能，從而滿足需要長時(shí)間真空耐壓密封、高服役溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的特殊應(yīng)用場合。


圖1是本發(fā)明被連接材料裝配原理圖；圖2是本發(fā)明連接結(jié)構(gòu)裝夾示意圖；圖3是本發(fā)明感應(yīng)熱-超聲連接裝置示意圖；圖中各部件名稱如下:母材一 1，母材二 2，中間層3，底部固定尺寸卡具4，可調(diào)尺寸卡具5，電磁感應(yīng)加熱線圈6，超聲壓桿7。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例一:參見附圖1、2、3所示，一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，該連接方法包括以下步驟:1、被連接材料進(jìn)行的表面處理:對母材一 1、母材二 2的對接面進(jìn)行機(jī)械打磨，以保證表面潔凈度及粗糙度，中間層3采用超聲清洗I 5分鐘；I1、母材一 1、母材二 2及中間層3以“三明治”疊層結(jié)構(gòu)組裝，構(gòu)成被連接試樣結(jié)構(gòu)；II1、在母材二 2上施加相對于所述連接界面的預(yù)壓力，預(yù)壓力大小為0.5 3MPa，預(yù)壓力的施加均勻一致，避免局部集中；IV、用高頻電磁感應(yīng)加熱線圈6對母材一 I與母材二 2的連接部位進(jìn)行局部快速加熱至設(shè)定溫度700 900°C ；V、以超聲壓桿7對母材二 2施加相對于所述連接面的高頻超聲振動，超聲振動的頻率為15kHz 50kHz、振幅為5 μ m 40 μ m，超聲振動時(shí)間為O 1000秒；V1、超聲振動完成后，停止加熱并繼續(xù)保壓至所述連接部位冷卻至一定溫度200+/-20°C，然后采取快速冷卻措施以加快生產(chǎn)效率，從而降低因熱膨脹系數(shù)失配造成的殘余應(yīng)力的不良影響。上述氧化鋁陶瓷可為工業(yè)生產(chǎn)中使用的純度為75 99%的多晶氧化鋁陶瓷。上述被連接材料具體為:所述母材一 I為氧化鋁陶瓷、母材二 2為氧化鋁陶瓷。
上述步驟II中所述母材一 I裝夾在底部固定尺寸卡具4上，母材二 2通過可調(diào)尺寸卡具5實(shí)現(xiàn)與母材一 I配合，使二者的連接面相對并將中間層3置于所需被連接界面之間，構(gòu)成氧化鋁陶瓷一中間層一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一中間層一金屬的“三明治”結(jié)構(gòu)。上述中間層3材料優(yōu)選純鋁；為獲得最佳的連接效果，所選的中間層3的尺寸應(yīng)比被連接母材一 1、母材二 2接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上大0.5 2mm，并對稱向兩端伸出。為縮短連接時(shí)間及更大程度的增強(qiáng)連接效果，所選中間層3的厚度為0.1 0.5mm,所述中間層3的形狀為片狀。上述步驟III中所述預(yù)壓力的目的是增加接頭的緊密性，降低連接溫度的同時(shí)縮短連接時(shí)間。上述步驟IV中所述局部快速加熱的目的是為了降低熱輸入量、節(jié)約能源并降低熱應(yīng)力膨脹失配所帶來的損傷，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫至預(yù)設(shè)時(shí)間。所述電磁感應(yīng)加熱升溫速率為 300 500 0C /min。在上述步驟IV將連接界面溫度升至設(shè)定溫度O 5秒后，并在此恒定溫度下開始步驟V的施加功率超聲振動。上述被連接母材均為塊狀，其中焊接接頭方式可以為對接，對接上述連接材料時(shí)，上述步驟I VI中母材一 I與母材二 2橫向水平放置。本方法在大氣環(huán)境下進(jìn)行連接，克服了傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷接頭形成方法中需要高真空、高壓、高溫及長時(shí)間的難點(diǎn)。本方法能夠在功率超聲場的作用下，在氧化鋁陶瓷一純鋁一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一純鋁一金屬接頭結(jié)構(gòu)中，通過超聲空化作用使得處于液相的中間層鋁材料自身氧化，從而形成氧化鋁陶瓷顆粒，通過超聲振動使其粒徑相近并均勻地彌散分布于接頭內(nèi)，構(gòu)成氧化鋁陶瓷相自身過渡連接的效果，并與氧化鋁陶瓷表面原位外延生成的陶瓷相一起構(gòu)成與被連接氧化鋁陶瓷同質(zhì)或近似同質(zhì)的接頭結(jié)構(gòu)，接頭內(nèi)陶瓷相占比達(dá)90%以上，陶瓷相中間填充鋁。所獲得的接頭結(jié)構(gòu)具有高密封性(接頭合率>95%)、高強(qiáng)度(普通氧化鋁陶瓷連接接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)70 90MPa)、寬泛服役溫度范圍的優(yōu)異性能，從而滿足需要長時(shí)間真空耐壓密封、高服役溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的特殊應(yīng)用場合。由于連接壓力小、溫度低以及焊接時(shí)間短，因此本方法特別適用于大面積或大尺寸薄板氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷-金屬的連接。實(shí)施例二:參見附圖2所示，一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，該連接方法包括以下步驟:1、被連接材料進(jìn)行的表面處理:對母材一 1、母材二 2對接面進(jìn)行打磨，以保證一定的表面潔凈度及粗糙度，中間層3采用超聲清洗I 5分鐘；I1、母材一 1、母材二 2及中間層3以“三明治”疊層結(jié)構(gòu)組裝，構(gòu)成被連接試樣結(jié)構(gòu)；II1、在母材二 2上施加相對于所述連接界面的預(yù)壓力，預(yù)壓力大小為0.5 3MPa，預(yù)壓力的施加均勻一致，避免局部集中；IV、用高頻電磁感應(yīng)加熱線圈6對母材一 I與母材二 2的連接部位進(jìn)行局部快速加熱至設(shè)定溫度700 900°C ；
V、以超聲壓桿7對母材二 2施加相對于所述連接面的高頻超聲振動，超聲振動的頻率為15kHz 50kHz、振幅為5 μ m 40 μ m，超聲振動時(shí)間為O 1000秒；V1、超聲振動完成后，停止加熱并繼續(xù)保壓至所述連接部位冷卻至一定溫度200+/-20°C，然后采取快速冷卻措施以加快生產(chǎn)效率，從而降低因熱膨脹系數(shù)失配造成的殘余應(yīng)力的不良影響。上述氧化鋁陶瓷為高純的單晶藍(lán)寶石(α、β、Y等晶向)材料。上述被連接材料具體為:所述母材一 I為氧化鋁陶瓷、母材二 2為金屬材料中的一種。上述母材一 I裝夾在底部固定尺寸卡具4上，母材二 2通過可調(diào)尺寸卡具5實(shí)現(xiàn)與母材一 I配合，使二者的連接面相對并將中間層3置于所需被連接界面之間，構(gòu)成氧化鋁陶瓷一中間層一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一中間層一金屬的“三明治”結(jié)構(gòu)。上述中間層3的材料優(yōu)選鋁-鋅，為獲得最佳的連接效果，所述中間層3的尺寸應(yīng)比被連接母材一 1、母材二 2接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上大0.5 2mm,并對稱向兩端伸出。為縮短連接時(shí)間及更大程度的增強(qiáng)連接效果，所述中間層3厚度為0.1 0.5mm,所述中間層3的形狀為箔狀。上述步驟III中所述預(yù)壓力的目的是增加接頭的緊密性，降低連接溫度的同時(shí)縮短連接時(shí)間。上述步驟IV中所述局部快速加熱的目的是為了降低熱輸入量、節(jié)約能源并降低熱應(yīng)力膨脹失配所帶來的損傷，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫至預(yù)設(shè)時(shí)間。所述電磁感應(yīng)加熱升溫速率為 300 500 0C /min。在上述步驟IV將連接界面溫度升至設(shè)定溫度O 5秒后，并在此恒定溫度下開始步驟V的施加高頻超聲振動。上述被連接母材為板狀。其中焊接接頭方式可以為搭接，搭接上述連接材料時(shí)，上述步驟I VI中母材一 I與母材二 2橫向水平放置。實(shí)際操作中為精確控制加熱溫度，上述步驟IV中的電磁感應(yīng)加熱裝置還可以配備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控設(shè)備(紅外測溫或熱電偶測溫)，通過所述溫控裝置對加熱的被連接部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度控制。上述超聲壓頭可直接對連接結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力和焊接壓力，從而減少附加裝置，簡化設(shè)備及操作工藝，但必須防止因熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致超聲壓頭過熱損傷。本方法提供了一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，所獲得的接頭結(jié)構(gòu)具有高密封性(接頭合率> 95% )、高強(qiáng)度(普通氧化鋁陶瓷連接接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)70 90MPa)、寬泛服役溫度范圍的優(yōu)異性能，從而滿足需要長時(shí)間真空耐壓密封、高服役溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的特殊應(yīng)用場合。實(shí)施例三:參見附圖3所示，一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，該連接方法包括以下步驟:1、被連接材料進(jìn)行必要的表面處理:對母材一 1、母材二 2進(jìn)行打磨，以保證表面潔凈度及粗糙度，中間層3采用超聲清洗I 5分鐘；I1、母材一 1、母材二 2及中間層3以“三明治”疊層結(jié)構(gòu)組裝，構(gòu)成被連接試樣結(jié)構(gòu)；
II1、在母材二 2上施加相對于所述連接界面的預(yù)壓力，預(yù)壓力大小為0.5 3MPa，預(yù)壓力的施加均勻一致，避免局部集中；IV、用高頻電磁感應(yīng)加熱線圈6對母材一 I與母材二 2的連接部位進(jìn)行局部快速加熱至設(shè)定溫度700 900°C ；V、以超聲壓桿7對母材二 2施加相對于所述連接面的高頻超聲振動，超聲振動的頻率為15kHz 50kHz、振幅為5 μ m 40 μ m，超聲振動時(shí)間為O 1000秒；V1、超聲振動完成后，停止加熱并繼續(xù)保壓至所述連接部位冷卻至一定溫度200+/-20°C，然后采取快速冷卻措施以加快生產(chǎn)效率，從而降低因熱膨脹系數(shù)失配造成的殘余應(yīng)力的不良影響。上述氧化鋁陶瓷可為工業(yè)生產(chǎn)中使用的不同純度(75 99%)的多晶氧化鋁陶瓷。上述被連接材料具體為:所述母材一 I為金屬材料中的一種、母材二 2為氧化鋁陶瓷。上述步驟II中所述母材二 2裝夾在底部固定尺寸卡具上，母材一 I通過可調(diào)尺寸卡具實(shí)現(xiàn)與母材二 2配合，使二者的連接面相對并將中間層3置于所需被連接界面之間，構(gòu)成氧化鋁陶瓷一中間層一氧化鋁陶瓷或者氧化鋁陶瓷一中間層一金屬的“三明治”結(jié)構(gòu)。上述中間層3優(yōu)選鋁-銅、鋁-硅、鋁-鎂合金中的一種或幾種，為獲得最佳的連接效果，所述中間層3的尺寸應(yīng)比被連接母材一 1、母材二 2接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上大0.5 2_，并對稱向兩端伸出。為縮短連接時(shí)間及更大程度的增強(qiáng)連接效果，所選中間層3的厚度為0.1 0.5mm,所述中間層3的形狀為塊狀。上述步驟III中所述預(yù)壓力的目的是增加接頭的緊密性，降低連接溫度的同時(shí)縮短連接時(shí)間。上述步驟IV中所述局部快速加熱的目的是為了降低熱輸入量、節(jié)約能源并降低熱應(yīng)力膨脹失配所帶來的損傷，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫至預(yù)設(shè)時(shí)間。所述電磁感應(yīng)加熱升溫速率為 300 500 0C /min ο在上述步驟IV將連接界面溫度升至設(shè)定溫度O 5秒后，并在此恒定溫度下開始步驟V的施加高頻超聲振動。上述被連接母材為塊狀。其中焊接接頭方式可以為對接，對接上述連接材料時(shí)，上述步驟I VI中母材一 I與母材二 2橫向水平放置。實(shí)際操作中為精確控制加熱溫度，上述步驟IV中的電磁感應(yīng)加熱裝置還可以配備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控設(shè)備(紅外測溫或熱電偶測溫)，通過所述溫控裝置對加熱的被連接部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度控制。上述超聲壓頭可直接對連接結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力和焊接壓力，從而減少附加裝置，簡化設(shè)備及操作工藝，但必須防止因熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致超聲壓頭過熱損傷。本方法提供了一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)或近似同質(zhì)相氧化鋁陶瓷的連接方法，所獲得的接頭結(jié)構(gòu)具有高密封性(接頭合率> 95% )、高強(qiáng)度(普通氧化鋁陶瓷連接接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)70 90MPa)、寬泛服役溫度范圍的優(yōu)異性能，從而滿足需要長時(shí)間真空耐壓密封、高服役溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的特殊應(yīng)用場合。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種大氣環(huán)境下原位生成氧化鋁陶瓷的連接方法，所述連接材料包括材質(zhì)相同或不同的母材一(I)和母材二(2)，其特征在于:包括以下步驟: 1.被連接材料進(jìn)行的表面處理:對母材一(I)、母材二(2)進(jìn)行打磨，中間層(3)采用超聲清洗； I1、母材一(I)置于下層、母材二(2)置于上層及中間層(3)在中間組裝成“三明治”疊層結(jié)構(gòu)； II1、在母材二(2)上施加相對于所述連接界面的預(yù)壓力； IV、用加熱裝置對母材一(I)與母材二(2)的連接部位進(jìn)行局部快速加熱至設(shè)定溫度700 900。。； V、以超聲裝置對母材二(2)施加相對于所述連接面的高頻超聲振動，超聲振動的頻率為15kHz 50kHz、振幅為5 μ m 40 μ m，超聲振動時(shí)間為O 1000秒； V1、超聲振動完成后，停止加熱并繼續(xù)保壓至所述連接部位冷卻至溫度200+/-2(TC，加速冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述氧化鋁陶瓷為工業(yè)生產(chǎn)中使用的多晶氧化鋁陶瓷或高純的單晶藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述母材一(I)為氧化鋁陶瓷、母材二(2)為氧化鋁陶瓷；或者所述母材一(I)為氧化鋁陶瓷、母材二(2)為金屬材料中的一種；或者所述母材一(I)為金屬材料中的一種、母材二(2)為氧化鋁陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述中間層(3)為純鋁、鋁-鋅、鋁-銅、鋁-硅或鋁-鎂合金中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述母材一(I)的形狀為塊狀、棒狀、片狀或板狀；所述母材二(2)的形狀為塊狀、棒狀、片狀或板狀；所述中間層(3)的形狀為片狀、箔狀、條狀或塊狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述中間層(3)的尺寸應(yīng)比被連接母材一(I)、母材二(2)接頭界面的橫截面尺寸在一個(gè)方向上大0.5 2mm，并對稱向兩端伸出；所述中間層(3)的厚度為0.1 0.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述設(shè)定溫度應(yīng)高于中間層(3)熔點(diǎn)40°C 300°C ;所述加熱裝置升溫速率為300 500°C /min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:將連接界面溫度升至所述設(shè)定溫度O 5秒后，并在此恒定溫度下開始所述步驟V的施加高頻超聲振動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:其中焊接接頭方式可以為對接或搭接；對接或搭接上述連接材料時(shí)，上述步驟I VI中母材一(I)與母材二(2)橫向水平放置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于:所述步驟IV中的加熱裝置還包括實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大氣環(huán)境下快速原位生成同質(zhì)相或近似同質(zhì)相的氧化鋁陶瓷的連接方法，屬于陶瓷-陶瓷或陶瓷-金屬連接領(lǐng)域。本發(fā)明可在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)接頭快速潤濕，極大緩和復(fù)合相結(jié)構(gòu)的接頭內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)強(qiáng)化接頭并提高使用溫度。相比其它陶瓷連接方法，該方法能獲得接頭連接界面具有高密封性(接頭接合率≥95％)、高強(qiáng)度(70～90MPa)、寬服役溫度范圍的優(yōu)異性能，因此尤其適用于需要長時(shí)間真空耐壓密封、高服役溫度、高強(qiáng)度及高耐腐蝕性能的氧化鋁陶瓷-氧化鋁陶瓷及氧化鋁陶瓷-金屬(鋁、銅、不銹鋼及其各合金等)結(jié)構(gòu)間的快捷、高效及高強(qiáng)的連接。
文檔編號B23K20/22GK103170723SQ20131007141
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者計(jì)紅軍, 李明雨, 程曉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院