Вакуумная пайка высокотемпературных керамических и металлических соединений

1. Вакуумная пайка конструкционной керамики
Конструкционная керамика (например, Si₃N₄, SiC, Al₂O₃) широко используется в механической обработке, химической промышленности, электронике, аэрокосмической промышленности и других областях благодаря своей превосходной стойкости к высоким температурам, коррозионной стойкости и износостойкости. Надежное соединение керамики и металлов может в полной мере раскрыть эксплуатационные преимущества обоих материалов и стало актуальной темой современных исследований. В последние годы применение металлокерамических соединений в электровакуумных приборах и средах со средними и низкими температурами стало относительно зрелым. Однако применение при более высоких температурах (>700 °C) и в условиях больших нагрузок по-прежнему сопряжено с такими проблемами, как несоответствие коэффициентов теплового расширения, недостаточная прочность соединений и плохая долгосрочная стабильность при высоких температурах. Поэтому большое значение имеет разработка новых процессов и новых материалов для высокотемпературных металлокерамических соединений.
2. Вакуумная пайка жаропрочных металлокерамических соединений
Вакуумная пайка является одним из наиболее распространенных методов соединения керамики и металла. Последние исследования показывают, что оптимизированная конструкция и усовершенствование процесса использования припоев, устойчивых к высоким температурам, значительно улучшают эксплуатационные характеристики соединений.
3. Проблемы с вакуумной пайкой
Высокая температура соединения: обычно выше 1000°C, даже до 1450°C, что может вызвать размягчение или разложение границ зерен керамики; строгие экологические требования: требуется высокий вакуум или защитная атмосфера (например, Ar, N₂), а стоимость оборудования высока; большой разброс характеристик: особенно в соединениях большой площади неравномерное смачивание приводит к нестабильной прочности; вопросы стоимости: припой, содержащий драгоценные металлы (например, Au, Ag, Pt), стоит дорого, что ограничивает масштабное применение.
4. Вакуумная диффузионная сварка жаропрочных металлокерамических соединений.
Вакуумная диффузионная сварка формирует металлургическую связь посредством твердотельной диффузии и является важным методом для высокотемпературных стойких соединений. В последние годы были достигнуты прорывы в оптимизации промежуточного слоя.
Характеристики процесса вакуумной диффузионной сварки
При оптимизированной температуре и давлении прочность соединения значительно улучшается. Например, Si₃N₄-Mo использует промежуточный слой V и имеет прочность на сдвиг 70 МПа при 700 °C; Si₃N₄-Si₃N₄ использует промежуточный слой Ni-20Cr, и его прочность при комнатной температуре по-прежнему достигает 347 МПа после термообработки при 900 °C×100 часов; Новый процесс: Si₃N₄ и износостойкая сталь оптимизируются за счет шероховатости поверхности при 1200 °C, а прочность на сдвиг увеличивается до 97,5 МПа.
5. Проблемы с вакуумной диффузионной сваркой
Требования к высоким температурам: температура соединения обычно составляет от 1100 ℃ до 1700 ℃, что может легко повредить керамический или металлический базовый материал; Сложный процесс: требуются высокий вакуум и точное давление, а эффективность производства низкая; Недостаточные характеристики при высоких температурах: если соединение долгое время находится в эксплуатации при температурах выше 700 ℃, прочность значительно снижается, что затрудняет удовлетворение потребностей авиационных двигателей и т. д.
На основании новейших технических стандартов и достижений исследований можно сделать следующие выводы:
Вакуумная пайка: процесс хорошо отработан и обеспечивает хорошие характеристики соединений, но высокая температура (>1000 ℃), высокая стоимость (драгоценные металлы) и узкая сфера применения ограничивают его развитие. В будущем необходимо разработать недорогие припои с низкой температурой плавления.
Вакуумная диффузионная сварка: соединение отличается высокой термостойкостью, но высокая температура процесса (1100 ℃ ～ 1700 ℃) и сложность затрудняют массовое производство. Ключевыми направлениями являются оптимизация среднего слоя и снижение температуры.