專利名稱：一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料及其制備方法。
背景技術：
陶瓷材料多具有高真空氣密性、高導熱率、高耐磨性、低蒸汽壓，以及良好的熱穩定性和化學穩定性等性能。因此，陶瓷材料在真空電子、航空、航天等領域具有廣泛應用。但陶瓷材料同樣具有塑性差、冷加工性能差等缺點，一般不單獨使用，而是常與金屬材料組合在一起，以連接體的形式使用。在陶瓷與金屬封接過程中，需要解決的關鍵技術之一是封接應力的緩解。由于陶瓷與金屬材料的物理化學性質相差較大，尤其是熱膨脹系數相差較大，會直接導致兩者連接應力很大，甚至造成連接失敗。熱膨脹系數介于被焊陶瓷與金屬之間的過渡層是緩解封接應力的最直接、有效的方法，但當被焊陶瓷與金屬熱膨脹系數相差很大時，單層或雙層過渡層已經不足以靠自身塑性變形消除封接應力對封接件性能的破壞作用。另外，過渡層使用太多本身也會給整個連接件造成性能上的損失。因此，制備一種熱膨脹系數介于被焊陶瓷與金屬之間，并且熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料對緩解陶瓷與金屬封接應力，提高封接質量具有重要意義。

發明內容
本發明的目的之一是為陶瓷與金屬封接提供一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料(以下簡稱梯度過渡合金)。梯度過渡合金中熱膨脹系數調節相的成分分布設計和相應的梯度過渡合金管材示意圖如圖l_a、圖Ι-b所示，真空燒結后的實際成分分布如圖2所示，梯度過渡合金熱膨脹系數變化和相應的梯度過渡合金管材示意圖如圖3-a、圖3-b所示
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料(梯度過渡合金材料)，包括基體材料組分和熱膨脹系數調節相組分，所述基體材料組分是CU、Ni、Cr、Mn、C0、!^中的一種或幾種的任意比例的混合；所述熱膨脹系數調節相組分是W、Mo、Al203、SiC、Si纖維中的一種或幾種的任意比例的混合；將梯度過渡合金至少分為兩段，所述熱膨脹系數調節相在合金每段中的成分分布呈梯度變化。—種優選技術方案，其特征在于所述熱膨脹系數調節相在合金每段中的成分分布分別為 90vol%、60vol%及 25vol%或 75vol %、60vol %及 35vol%。本發明的另一目的是為陶瓷與金屬封接提供一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法。首先，根據被焊陶瓷和金屬的熱膨脹系數大小及差距，設計梯度過渡合金基材組元、熱膨脹系數調節相及熱膨脹系數調節相在合金中的梯度分布。然后，用熔煉、氣霧化工藝制取基材合金粉。同時，選用高純、超細熱膨脹系數調節相，按設計成分將其與合金基材粉體混合均勻。最后，通過模壓整體成型、坯料真空燒結及后期熱等靜壓致密化工藝完成梯度過渡合金制備。該工藝適于梯度過渡合金棒材及管材制備，制得的合金材料的熱膨脹系數呈梯度變化，并且與被焊陶瓷和金屬都具有較好的匹配性。該梯度過渡合金對緩解陶瓷與金屬連接過程中產生的殘余應力具有重要意義。本發明采用粉末冶金工藝，通過控制熱膨脹系數調節相在合金中成分分布的梯度變化，達到合金熱膨脹系數的梯度變化。所制備的合金材料將具有如下特性首先，合金本身的熱膨脹系數呈梯度變化。其次，可以根據實際使用要求，設計該合金的基材和熱膨脹系數調節相及其梯度變化的百分含量，從而該合金具有與被焊陶瓷和金屬都匹配的熱膨脹系數。該工藝適合制備梯度過渡合金棒材和管材。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，包括以下步驟(1)梯度過渡合金組分設計根據被焊陶瓷與金屬的熱膨脹系數，設計組成梯度過渡合金的基體材料和熱膨脹系數調節相，以及熱膨脹系數調節相在合金中呈梯度變化的含量設計；(2)梯度過渡合金基材制備按步驟(1)成分設計結果，稱取相應重量的組成梯度過渡合金基體的金屬，在惰性氣體保護下，將幾種金屬熔煉制成合金錠，然后用氣霧化法將合金錠霧化制粉；(3)熱膨脹系數調節相準備熱膨脹系數調節相采用熱膨脹系數較低的金屬或陶瓷粉體，要求選用粒徑分布窄、高純、超細粉體；(4)混料按梯度過渡合金設計的各段成分配比，稱取相應的過渡合金基材和熱膨脹系數調節相，將各段混合粉分別用高能球磨機方式混合均勻；(5)壓型梯度合金的壓型采用模壓成型方法，將混合均勻的各段混合粉依次注入模具，整體模壓成型，裝料時要求每裝入一種成分的混合粉之前，盡量將之前已裝入的粉末震實，并且要格外控制每種混合粉的加入量；(6)真空燒結采用真空燒結工藝，對梯度過渡合金的模壓坯料進行燒結處理；(7)致密化燒結對預燒后的合金進行熱等靜壓處理，得到熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(1)中，所述的基體材料的組分為Cu、Ni、 Cr、Mn、Co、Fe中的一種或幾種的任意比例的混合。所述的熱膨脹系數調節相的組分是W、 Mo、A1203、SiC、Si纖維中的一種或幾種的任意比例的混合。在所述步驟(1)中，根據被焊陶瓷與金屬熱膨脹系數大小及差距，設計熱膨脹系數調節相在過渡合金所處位置的百分含量，多采用體積百分比，也可用質量百分比。將梯度過渡合金分段，每段的熱膨脹系數調節相含量不同，但要求相互之間呈梯度變化趨勢，如從 75vol %，到60vol %，再到35vol %的變化趨勢，由此制備的梯度過渡合金的熱膨脹系數就會具備從合金一端到另一端梯度變化的特性。同時，通過對合金中熱膨脹系數調節相的含量控制，達到合金一端的熱膨脹系數與陶瓷相匹配，另一端熱膨脹系數與被焊金屬相匹配。此外，在設計合金成分時，還要求合金基材的組成成分不能與被選的熱膨脹系數調節相具有較大固溶度，否則會損失一部分熱膨脹系數調節相，從而破壞合金熱膨脹系數梯度變化的特性。一種優選的技術方案，其特征在于步驟O)中，在梯度過渡合金基材的熔煉及后期氣霧化制粉時采用的惰性氣體為高純或工業級氬氣、氦氣或氮氣，氣體的純度要求優于 99. 99%，合金熔煉時氣體壓力控制在1個大氣壓左右。梯度過渡合金基體材料的粒度控制在-300目及以上。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(3)中，熱膨脹系數調節相的粉體純度達到 99. 99%，粒度為 400 IOOOnm0一種優選的技術方案，其特征在于步驟(4)中，所述各段混合粉末的混料時間均在48小時及以上，混合后的粉體沒有團聚、白點等現象。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(5)中，注入模具時，按照熱膨脹系數調節相的含量逐漸降低或逐漸增加的順序依次注入混合均勻的各段混合粉，然后整體模壓成型。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(6)中，所述真空燒結時，真空度為10_2 10_3Pa，燒結溫度及時間根據梯度過渡合金基材成分而定，例如真空燒結的溫度在800 1350°C范圍內，燒結后的梯度過渡合金的致密度達到85%以上。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(7)中，所述熱等靜壓處理使用的氣氛為純度優于99. 99%的高純氬氣、氮氣或氦氣，熱等靜壓溫度根據梯度過渡合金基材的設計成分而定，例如溫度范圍設計為700 1200°C，燒結后梯度過渡合金致密度達到100%。本發明的特點之一在于所述步驟(1)中梯度過渡合金的成分組成。梯度過渡合金由基材和熱膨脹系數調節相組成，熱膨脹系數調節相是具有較低熱膨脹系數的W、Mo或 Al2O3等材料，通過熱膨脹系數調節相在合金中成分的梯度變化，實現過渡合金熱膨脹系數的梯度變化。梯度過渡合金成分設計及實際分布如圖Ι-a和圖l_b及圖2所示，梯度過渡合金熱膨脹系數梯度變化示意圖如圖3-a和圖3-b所示。本發明的特點之二在于所述步驟O)中，采用粉末冶金工藝制備梯度過渡合金的基體粉體。步驟( 中將組成梯度過渡合金基體材料的幾種金屬先是通過熔煉，制成合金， 再霧化制取合金粉，而不是使用組成基體材料的幾種金屬粉的直接機械混合粉。合金粉與機械混合粉相比，成分分布更均勻。另外，也更容易控制熱膨脹系數調節相在基體粉體中的成分分布與設計成分更為貼近。本發明的特點之三在于所述步驟(3)中，熱膨脹系數調節相選用窄粒徑分布、高純、超細粉體。粉體純度優于99. 99%，粒度為400 IOOOnm的超細粉末。本發明的特點之四在于所述步驟⑷、(5)、(6)中，采用混粉、壓坯、燒結的粉末冶金工藝制備梯度過渡合金。在將熱膨脹系數調節相含量不同的混合粉體依次注入模具中后，受粉體流動、壓成坯料所受外力及燒結時元素擴散等因素的影響，必然使成分配比不同的粉體接觸界面變得模糊。也就是說，真空燒結后熱膨脹系數調節相在梯度過渡合金中的分布不在是當初設計的那樣，存在明顯的成分突變界面，呈現明顯的梯度變化趨勢，而是成分漸變的變化趨勢，其設計成分及實際成分的分布如圖Ι-a和圖l_b及圖2所示。因此，梯度過渡合金的熱膨脹系數也是逐漸增加(或逐漸降低)的變化趨勢。另外，混粉、壓坯、燒結的制備工藝只適合梯度過渡合金棒材和管材制備。本發明的特點之五還在于所述步驟(7)中，為提高梯度過渡合金致密度，對真空燒結后的梯度過渡合金又進行了熱等靜壓處理。本發明的優點是(1)熱膨脹系數呈梯度變化的過渡合金材料，其自身的熱膨脹系數從合金一端向另一端方向，呈現逐漸增加(或逐漸降低)的變化趨勢，并且兩端的熱膨脹系數分別與被焊陶瓷和金屬相匹配。該合金可有效緩解陶瓷與金屬焊接應力，提高焊接質量。(2)可以根據被焊陶瓷和金屬的熱膨脹系數失配情況，設計組成梯度過渡合金的基體材料、熱膨脹系數調節相及熱膨脹系數調節相的成分分布。當被焊陶瓷和金屬熱膨脹系數相差較小時，可將過渡合金分成兩段，每段熱膨脹系數調節相含量不同。當被焊陶瓷和金屬熱膨脹系數相差較大時，可將過渡合金分成三段及以上，每段之間熱膨脹系數調節相的含量呈梯度變化。(3)采用粉末冶金法制備該合金，可實現合金的熱膨脹系數呈逐漸增加(或逐漸降低)的變化趨勢，而不是成分突變，進而熱膨脹系數的突變，因為任何熱膨脹系數的突變都還是會引起焊接熱應力的集中。(4)采用熱等靜壓工藝制備的梯度過渡合金具有很高致密度，本身氣密性好，能滿足真空電子行業對材料的使用要求。下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但并不意味著對本發明保護范圍的限制。


圖Ι-a、圖Ι-b為梯度過渡合金中熱膨脹系數調節相的成分分布設計和相應的梯度過渡合金管材示意圖。圖2為梯度過渡合金中熱膨脹系數調節相的實際成分分布示意圖。圖3_a、圖3_b為梯度過渡合金熱膨脹系數變化和相應的梯度過渡合金管材示意圖。圖4-a、圖4-b為實施例1合金中熱膨脹系數調節相的成分分布設計和相應的梯度過渡合金管材示意圖。圖5-a、圖5-b為實施例1中合金成分實際分布情況和相應的梯度過渡合金管材示意圖。圖6-a、圖6-b為實施例1合金熱膨脹系數變化趨勢和相應的梯度過渡合金管材示意圖。
具體實施例方式實施例1該工藝制備的梯度過渡合金作為應力緩解層，用于氧化鋁陶瓷與不銹鋼的焊接。 其中，氧化鋁的熱膨脹系數是5. 5 X ΙΟ"6,不銹鋼的熱膨脹系數> 16. 0 X ΙΟ"60(1)梯度過渡合金組分設計根據氧化鋁陶瓷與不銹鋼的熱膨脹系數大小及差距，將梯度過渡合金基材設定為以銅為主體的Cu、Ni、Cr三元合金，質量配比定為90 8 2，其中Cu的熱膨脹系數約為17X10_6。梯度過渡合金的熱膨脹系數調節相采用高純、超細Mo粉，Mo的熱膨脹系數是5.53X10—6。另外，將梯度過渡合金的成分分成三段，第一段含Mo的體積百分比設為 90vol%，中間一段Mo含量設為60vol%，末段Mo含量設為25vol%。由此，制備的梯度過渡合金的熱膨脹系數將在6 15X 10_6之間呈逐漸增加的變化趨勢。(2)梯度過渡合金基材制備實驗準備制備Ikg梯度過渡合金基材粉末。首先，按步驟(1)成分設計，稱取相應重量的Cu、Ni和Cr。用中頻感應熔煉工藝，將其熔煉呈合金錠，熔煉過程中要求用氬氣保護，氣體的純度要求優于99. 99%，合金熔煉時氣體壓力控制在1個大氣壓左右。最后用氣霧化制粉工藝將合金錠噴成粒度在-300目左右的Cu-Ni-Cr合金粉。其中，氣霧化采用的氣體為高純氬氣，氣體的純度要求優于99. 99%。(3)熱膨脹系數調節相準備用于熱膨脹系數調節相的Mo金屬粉末，其80%粉末顆粒的粒徑在400nm 700nm, Mo 粉純度為 99. 99%。(4)混料按步驟⑴所述的合金成分分為三段，每段合金中Mo含量分別為90Vol%， 60vol %和25vol %。將相應配比的Cu-Ni-Cr合金粉和Mo粉混合，然后用高能球磨機將三種不同成分配比的混合粉末分別混合48小時，混合后的粉體沒有團聚、白點等現象。(5)壓型將三種混合均勻的粉末按步驟(1)所述順序分別裝入模具，每裝入一種混合粉都要盡量震實之前已經放入的粉末，然后整體模壓成型。模具形狀采用圓柱形，壓力用 200MPa。(6)真空燒結將模壓成型的梯度過渡合金坯料，在800 950°C下真空燒結。真空度為10_2 10_3Pa，保溫時間為3小時。燒結后的梯度過渡合金的致密度達到85%以上。(7)致密化燒結對真空燒結后的梯度過渡合金進行熱等靜壓處理，處理溫度為700 800°C，保溫時間為1.5小時，壓力為150Mpa，使用的氣氛為純度優于99. 99%的高純氮氣。燒結后梯度過渡合金致密度達到100%。(8)梯度過渡合金實際應用將圓柱形梯度過渡合金加工成圓管，尺寸要求與Al2O3陶瓷及不銹鋼相匹配，長度取1.0cm。其中，1.0cm長度范圍內，合金的成分應包括步驟(1)設計的那三種。圖4_a、圖4_b為本實施例合金中熱膨脹系數調節相的成分分布設計和相應的梯度過渡合金管材示意圖，圖5-a、圖5-b為本實施例中合金成分實際分布情況和相應的梯度過渡合金管材示意圖，圖6-a、圖6-b為本實施例合金熱膨脹系數變化趨勢和相應的梯度過渡合金管材示意圖。將梯度過渡合金圓管裝配于Al2O3陶瓷和不銹鋼之間，要求含90Vol% Mo的合金一端與Al2O3陶瓷裝配，含25Vol% Mo的合金一端與不銹鋼裝配。將Ag-Cu-Ti焊料片分別置于過渡合金與Al2O3及不銹鋼的接觸界面。在900°C，保溫5min，真空度優于5 X IO^3Pa條件下，用真空釬焊爐實現Al2O3陶瓷和不銹鋼的焊接。(9)封接件性能測試實驗結果顯示，采用本發明制備的梯度過渡合金后，Al2O3陶瓷和不銹鋼焊接界面的漏氣率達到10, -mVs,明顯優于用鈮合金作過渡層時的封接氣密性，完全滿足電真空領域對器件的氣密性要求。實施例2該工藝制備的梯度過渡合金作為應力緩解層，用于C/SiC復合陶瓷與TC4鈦合金的焊接。其中，C/SiC復合陶瓷的熱膨脹系數是3.5X 10_6，TC4鈦合金的熱膨脹系數是 9. 7Χ10Λ(1)梯度過渡合金組分設計根據C/SiC復合陶瓷與TC4鈦合金的熱膨脹系數及被焊陶瓷與金屬自身成分，將梯度過渡合金基材設定為Ni、狗兩種組元，成分配比定為1 1。熱膨脹系數調節相采用高純、超細W粉，其熱膨脹系數是4. 4X10-6。同時，將過渡合金成分分成兩段，第一段合金中含W的體積百分比設為90vol %，第二段合金中的W含量設為55vol %。由此，制備的梯度過渡合金的熱膨脹系數將在4. 5 8. OX 10_6之間呈逐漸增加的變化趨勢。(2)梯度過渡合金基材制備實驗準備制備Ikg梯度過渡合金基材粉末。首先，按步驟⑴成分設計，稱取相應重量的狗和附。然后用中頻感應熔煉工藝，將其熔煉成合金錠，熔煉過程中要求用氬氣保護，氣體的純度要求優于99. 99%，合金熔煉時氣體壓力控制在1個大氣壓左右。最后用氣霧化制粉工藝將合金錠噴成粒度在-300目的M-Fe合金粉，其中，氣霧化采用的氣體為氬氣，氣體的純度要求優于99. 99%。(3)熱膨脹系數調節相準備用于熱膨脹系數調節相的W金屬粉末，其80%粉末顆粒的粒徑在400nm 700nm， W粉純度為99. 99%。(4)混料按步驟⑴所述的合金成分分為兩段，每段合金中W含量分別為90Vol%， 55Vol%。將相應配比的Ni-狗合金粉和W粉混合，然后用高能球磨機將兩種不同成分配比的混合粉末分別混合48小時。混合后的粉體沒有團聚、白點等現象。(5)壓型將兩種混合均勻的粉末按步驟(1)所述順序分別裝入模具，每裝入一種混合粉都要盡量震實之前已經放入的粉末，然后整體模壓成型。因為被焊C/SiC與鈦合金是圓筒形結構，因此模具采用圓柱形，模壓后合金形狀為圓柱形。模壓壓力為200MPa。(6)真空燒結將模壓成型的梯度過渡合金坯料，在1250 1350°C下真空燒結。真空度為10_2 10_3Pa，保溫時間為3小時。燒結后的梯度過渡合金的致密度達到85%以上。(7)致密化燒結對真空燒結后的梯度過渡合金進行熱等靜壓處理，處理溫度為1200°C，保溫時間為3小時，壓力為200Mpa，使用的氣氛為純度優于99. 99%的高純氬氣。燒結后梯度過渡合金致密度達到100%。CN 102534297 A
(8)梯度過渡合金實際應用
將圓柱形梯度過渡合金加工成圓管，尺寸要求與C/SiC復合陶瓷相匹配，長度取 1. Ocm0其中，1.0cm長度范圍內，合金的成分應包括步驟(1)設計的那兩種。
將梯度過渡合金圓管裝配于C/SiC和鈦合金之間，要求含有90vol % W的合金一端與C/SiC接觸，含55Vol% W的合金一端靠近鈦合金。將Cu-Al-Si-Ti焊料片分別置于過渡合金與C/SiC及鈦合金的接觸界面。在10601，保溫51^11，真空度優于5\10_31^條件下， 用真空釬焊爐實現C/SiC與鈦合金的焊接。
(9)封接件性能測試
實驗結果顯示，用Cu-Al-Si-Ti焊料直接釬焊C/SiC與鈦合金時，界面有明顯裂縫，直接導致無法測量封接件的真空氣密性。而采用本發明設計、制備的梯度過渡合金，C/ SiC與鈦合金的焊接界面處無微觀裂紋等缺陷，并且封接件能夠承受2Mpa氣壓不漏氣。
實施例3
該工藝制備的梯度過渡合金作為應力緩解層，用于C/C復合材料與不銹鋼的焊接。其中，C/C復合材料的熱膨脹系數是3.5X10_6，不銹鋼的熱膨脹系數> 16. OX IO-6 0
(1)梯度過渡合金組分設計
根據C/C復合材料與不銹鋼的熱膨脹系數大小及差距，將梯度過渡合金基材設定為以銅為主體的Cu、Ni、Cr三元合金，質量配比定為90 8 2，選該體系合金是因為Cu 基體的熱膨脹系數為17 X 10_6，與不銹鋼熱膨脹系數接近。梯度合金的膨脹系數調節相采用SiC粉和W粉。其中，SiC粉的熱膨脹系數是4. 3 X ΙΟ"6, W粉的熱膨脹系數是4. 4X 10_6。 將梯度過渡合金的成分分成四段，第一段含W的體積百分比設為50Vol%，SiC的體積百分比設為35V01%，第二段含W的體積百分比設為40VOl%，SiC的體積百分比設為20VOl%， 第三段含W的體積百分比設為20vOl%，SiC的體積百分比設為5Vol%，第四段熱膨脹系數調節相只用W粉，不用SiC粉，其中W粉的體積百分比設為Svol %。由此，制備的梯度過渡合金的熱膨脹系數將在5 16X 10_6之間呈逐漸增加的變化趨勢。
(2)梯度過渡合金基材制備
實驗準備制備Ikg梯度過渡合金基材粉末。首先，按步驟(1)成分設計，稱取相應重量的Cu、Ni和Cr。用中頻感應熔煉工藝，將其熔煉呈合金錠，熔煉過程中要求用氬氣保護，氣體的純度要求優于99. 99%，合金熔煉時氣體壓力控制在1個大氣壓左右。最后用氣霧化制粉工藝將合金錠噴成粒度在-300目左右的Cu-Ni-Cr合金粉。其中，氣霧化采用的氣體為高純氬氣，氣體的純度要求優于99. 99%。
(3)熱膨脹系數調節相準備
用于熱膨脹系數調節相SiC粉和W粉純度均達到99. 99 %，80 %粉末顆粒的粒徑在 400nm 700nm。
(4)混料
按步驟⑴所述的合金成分分為四段，將相應配比的Cu-Ni-Cr合金粉與W粉和 SiC粉混合，然后用高能球磨機將四種不同成分配比的混合粉末分別混合48小時，混合后的粉體沒有團聚、白點等現象。
(5)壓型
將四種混合均勻的粉末按步驟(1)所述順序分別裝入模具，每裝入一種混合粉都要盡量震實之前已經放入的粉末，然后整體模壓成型。模具形狀采用圓柱形，壓力用 200MPa。
(6)真空燒結
將模壓成型的梯度過渡合金坯料，在800 950°C下真空燒結。真空度為10_2 10_3Pa，保溫時間為3小時。燒結后的梯度過渡合金的致密度達到85%以上。
(7)致密化燒結
對真空燒結后的梯度過渡合金進行熱等靜壓處理，處理溫度為700 800°C，保溫時間為1.5小時，壓力為150Mpa，使用的氣氛為純度優于99. 99%的高純氮氣。燒結后梯度過渡合金致密度達到100%。
(8)梯度過渡合金實際應用
將圓柱形梯度過渡合金加工成圓管，尺寸要求與C/C復合材料及不銹鋼相匹配， 長度取1.0cm。其中，1.0cm長度范圍內，合金的成分應包括步驟(1)設計的那四種。
將梯度過渡合金圓管裝配于C/C復合材料和不銹鋼之間，要求含W為50Vol%，含 SiC為35vol %的合金一端與C/C復合材料裝配，含W為Svol %的合金一端與不銹鋼裝配。 將Ag-Cu-Ti焊料片分別置于過渡合金與C/C復合材料及過渡合金與不銹鋼的接觸界面。在 900°C，保溫5min，真空度優于5X 10_3Pa條件下，用真空釬焊爐實現C/C和不銹鋼的活性法焊接。
(9)封接件性能測試
實驗結果顯示，采用本發明制備的梯度過渡合金后，C/C和不銹鋼焊接界面的漏氣率達到10-1° · m3/s，滿足電真空領域對真空器件的氣密性要求。
本發明的梯度過渡合金材料有如下用途借助材料本身熱膨脹系數呈梯度變化的特性，主要用作陶瓷與金屬連接時的應力緩解過渡層。另外，該合金材料具有金屬材料一般特性，也可用作結構件直接使用。
權利要求
1.一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料，包括基體材料組分和熱膨脹系數調節相組分，所述基體材料組分是01、附、0、1111、&)、!^中的一種或幾種的任意比例的混合；所述熱膨脹系數調節相組分是W、Mo、Al203、SiC、Si纖維中的一種或幾種的任意比例的混合；將梯度過渡合金至少分為兩段，所述熱膨脹系數調節相在合金每段中的成分分布呈梯度變化。
2.根據權利要求1所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料，其特征在于所述熱膨脹系數調節相在合金每段中的成分分布分別為 δνοΙ^ΑΟνοΙ^及35V01%。
3.一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，包括以下步驟(1)梯度過渡合金組分設計根據被焊陶瓷與金屬的熱膨脹系數，設計組成梯度過渡合金的基體材料和熱膨脹系數調節相，以及熱膨脹系數調節相在合金中呈梯度變化的含量設計；(2)梯度過渡合金基材制備按步驟(1)成分設計結果，稱取相應重量的組成梯度過渡合金基體的金屬，在惰性氣體保護下，將幾種金屬熔煉制成合金錠，然后用氣霧化法將合金錠霧化制粉；(3)熱膨脹系數調節相準備熱膨脹系數調節相采用熱膨脹系數較低的金屬或陶瓷粉體；(4)混料按梯度過渡合金設計的各段成分配比，稱取相應的過渡合金基材和熱膨脹系數調節相，將各段混合粉分別用高能球磨機方式混合均勻；(5)壓型梯度合金的壓型采用模壓成型方法，將混合均勻的各段混合粉依次注入模具，整體模壓成型，每裝入一種成分的混合粉之前，將之前已裝入的粉末震實；(6)真空燒結采用真空燒結工藝，對梯度過渡合金的模壓坯料進行燒結處理；(7)致密化燒結對預燒后的合金進行熱等靜壓處理，得到熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料。
4.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中，所述的基體材料的組分為CU、Ni、Cr、Mn、C0、!^中的一種或幾種的任意比例的混合；所述的熱膨脹系數調節相的組分是W、Mo、Al203、SiC、Si纖維中的一種或幾種的任意比例的混合。
5.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟O)中，在梯度過渡合金基材的熔煉及后期氣霧化制粉時采用的惰性氣體為高純或工業級氬氣、氦氣或氮氣，氣體的純度優于99. 99%，合金熔煉時氣體壓力控制在1個大氣壓；制粉時的粒度控制在-300目及以上。
6.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟⑶中，熱膨脹系數調節相的粉體純度達到99. 99%，粒度為400 lOOOnm。
7.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟(4)中，所述各段混合粉末的混料時間均在48小時及以上。
8.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟(5)中，注入模具時，按照熱膨脹系數調節相的含量逐漸降低或逐漸增加的順序依次注入混合均勻的各段混合粉，然后整體模壓成型。
9.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟(6)中，所述真空燒結時，真空度為10_2 10_3Pa，燒結溫度及時間根據梯度過渡合金基材成分而定，燒結后的梯度過渡合金的致密度達到85%以上。
10.根據權利要求3所述的熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料的制備方法，其特征在于步驟(7)中，所述熱等靜壓處理使用的氣氛為純度優于99. 99%的高純氬氣、氮氣或氦氣，熱等靜壓溫度根據梯度過渡合金基材的設計成分而定，燒結后梯度過渡合金致密度達到 100%。
全文摘要
本發明涉及一種熱膨脹系數呈梯度變化的合金材料及其制備方法，該合金材料包括基體材料組分和熱膨脹系數調節相組分，基體材料組分是Cu、Ni、Cr、Mn、Co、Fe中的一種或幾種的任意比例的混合；熱膨脹系數調節相組分是W、Mo、Al2O3、SiC、Si纖維中的一種或幾種的任意比例的混合；將梯度過渡合金至少分為兩段，熱膨脹系數調節相在合金每段中的成分分布呈梯度變化。本發明的工藝適于梯度過渡合金棒材及管材制備，制得的合金材料的熱膨脹系數呈梯度變化，并且與被焊陶瓷和金屬都具有較好的匹配性。該梯度過渡合金對緩解陶瓷與金屬連接過程中產生的殘余應力具有重要意義。
文檔編號C22C9/06GK102534297SQ201010608049
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者張小勇, 陸艷杰 申請人:北京有色金屬研究總院