一種max相陶瓷材料的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MAX相陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種MAX相陶瓷材料的焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MAX相陶瓷材料具有優(yōu)異的力學(xué)、耐氧化、耐腐蝕、耐輻照及可加工性能，成為未來(lái)核材料的候選材料之一。目前，MAX相塊體陶瓷材料主要采用無(wú)壓或熱壓燒結(jié)的方法制備，但是在實(shí)際制備過(guò)程中爐膛及模具尺寸有限，因此難以直接制備大尺寸、復(fù)雜形狀的MAX相陶瓷材料。通過(guò)材料互連技術(shù)，即將若干小塊材料焊接形成所需的大型復(fù)雜形狀零件，則能夠促進(jìn)該材料的應(yīng)用。
[0003]目前，有關(guān)MAX相陶瓷材料焊接方面的研究較少，通常采用中間相過(guò)渡，利用高溫?cái)U(kuò)散的方法進(jìn)行焊接。例如，Yin等人在文獻(xiàn)J.Mater.Sci, 2007, 42，7081中報(bào)道采用磁控濺射在Ti3AlC2材料表面濺射Si層，然后將有濺射層的Ti3AlC2材料和無(wú)濺射層的Ti3AlC2材料對(duì)置，在1400°C高溫、5MPa壓力下保溫120min，通過(guò)高溫互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)無(wú)界面連接。另夕卜，他們還在文獻(xiàn)J.Eur0.Ceram.Soc.，2007，27，3539中報(bào)道采用瞬間液相擴(kuò)散焊(TLP)的方法，在兩塊Ti3SiC2材料間放置一層鋁箔，在1500°C高溫、5MPa壓力下保溫120min，實(shí)現(xiàn)無(wú)界面焊接。Li等人在文獻(xiàn)J.Eur0.Ceram.Soc.，2009, 29，2619中報(bào)道在惰性氣氛中引入少量氧分壓，使兩件Ti3AlC2材料的接觸表面被氧化，從而引入一層致密、連續(xù)的Al2O3層來(lái)實(shí)現(xiàn)相互焊接，該方法需要在1400°C高溫下保溫120min。Yin等在文獻(xiàn)Mater.Res.Bull.，2009, 44，1379中報(bào)道通過(guò)高溫互擴(kuò)散的方法焊接Ti3AlC2和Ti3SiC2材料，該方法需要在1200°C高溫、20MPa壓力下保溫2h。
[0004]但是，在實(shí)際應(yīng)用中，上述方法需要中間過(guò)渡層，使焊接工藝進(jìn)一步復(fù)雜化；并且，需要溫度-壓力-保溫時(shí)間三者共同作用才能實(shí)現(xiàn)，因而要求設(shè)備能夠同時(shí)提供高溫與壓力，對(duì)設(shè)備要求較高；另外，需要保溫較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致成本增加、效率降低，因此不適用于大型MAX相陶瓷工件的焊接及實(shí)地焊接操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種MAX相陶瓷材料焊接的新方法。
[0006]本發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后提供了一種實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案:一種MAX相陶瓷材料的焊接方法，如圖1所示，將待焊接的兩件MAX相陶瓷材料進(jìn)行表面處理后，分別與上電極與下電極相連，然后使處理后的兩表面緊密接觸，接通電源，形成閉合回路，在電流的作用下接觸位置產(chǎn)生焦耳熱迅速升溫，使接觸位置的MAX相陶瓷材料激活并互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接。
[0007]所述的上電極與下電極的材料不限。為了加強(qiáng)焊接效果，作為優(yōu)選，通過(guò)所述的上、下電極材料對(duì)待焊接的兩件MAX相陶瓷材料施加壓力，使焊接時(shí)待焊接材料材料在接觸位置發(fā)生互擴(kuò)散的同時(shí)伴隨塑形變形，以增強(qiáng)焊接效果。
[0008]所述的MAX相陶瓷材料是一種層狀化合物陶瓷材料，其中M是過(guò)渡金屬元素，A是主族元素，X是C和N兩種元素，包括但不限于Ti3SiC2、Ti3AlC2, Ti2AlC, Ti2AlN, Ti4AlN3、Ti2SC, Ti3GeC2' V2AlC' Cr2AlC, Nb4GeC3' Zr3Al3C5, Zr2Al4C5 等中的一種或者幾種的組合，或者這些材料與復(fù)合相構(gòu)成的復(fù)合材料。所述的復(fù)合相不限，可以是SiC、ZrB2、TiC、N1、A1203、W等中的一種或兩種以上的組合。
[0009]所述的復(fù)合相形貌不限，可以是粉體顆粒、長(zhǎng)纖維、短切纖維等中的一種或兩種以上的組合。
[0010]所述的接觸包括點(diǎn)接觸與面接觸。
[0011]所述的待焊接的MAX相陶瓷材料的形狀不限，可以為塊狀、環(huán)狀及各種異形件等。
[0012]所述的上、下電極材料不限，包括但不限于金屬材料或石墨材料等。
[0013]所述的上、下電極的形狀不限，根據(jù)待焊接的MAX相陶瓷材料的形狀而定，可以為塊狀、片狀、環(huán)狀或其他不規(guī)則形狀等。
[0014]所述的表面處理是指將待焊接的MAX相陶瓷材料表面進(jìn)行打磨、拋光、清洗等處理，以去掉表面雜質(zhì)及污染物。
[0015]所述的焊接過(guò)程中，MAX相陶瓷材料中接觸面由于具有較大的接觸電阻，在電流的作用下迅速升溫實(shí)現(xiàn)焊接，而材料其余部分的溫度變化相對(duì)較小。
[0016]所述的電流形式不限，可以是脈沖電流、直流或者交流。所述的電流強(qiáng)度由待焊接材料和接觸面形狀決定，一般優(yōu)選大于500A，進(jìn)一步優(yōu)選大于1000A。
[0017]所述的焊接時(shí)間由電流強(qiáng)度和焊接效果決定，一般在l-60min之內(nèi)，進(jìn)一步優(yōu)選為 0_30min。
[0018]綜上所述，本發(fā)明提供了一種MAX相陶瓷材料的焊接新方法，該方法在待焊接的兩件MAX相陶瓷材料端分別連接上、下電極，待焊接表面經(jīng)處理后相接觸，然后通過(guò)電源，形成閉合回路，接觸面在電流的作用下產(chǎn)生焦耳熱迅速升溫，使接觸面的MAX相陶瓷材料激活并互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接。與現(xiàn)有的采用中間過(guò)渡層，在溫度-壓力-保溫共同作用下使過(guò)渡層高溫?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)焊接的方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)簡(jiǎn)單易行，無(wú)需中間過(guò)渡層，單純依靠MAX相陶瓷材料的擴(kuò)散完成焊接；
[0020](2)焊接周期短，目前采用的中間過(guò)渡層高溫?cái)U(kuò)散的焊接方法需要較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，一般為l_2h，本發(fā)明可在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料的焊接，一般僅為l-60min。
[0021](3)無(wú)需復(fù)雜的焊接設(shè)備，目前采用的中間過(guò)渡層高溫?cái)U(kuò)散的焊接方法一般在高溫爐內(nèi)進(jìn)行，本發(fā)明只需對(duì)材料接觸面兩端施加電流，因此可在實(shí)地進(jìn)行焊接，具有高度的靈活性；
[0022](4)采用本發(fā)明的方法對(duì)MAX相陶瓷材料進(jìn)行焊劑處理后材料表面無(wú)焊縫、無(wú)界面、完整地連接形成一體，從而有效增強(qiáng)了焊接后的材料抗彎強(qiáng)度，使其抗彎強(qiáng)度能夠保持到焊接前材料抗彎強(qiáng)度的80%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明MAX相陶瓷材料的焊接方法示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中Ti3SiC2材料經(jīng)焊接后的接口橫截面光學(xué)照片；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中Ti3SiC2材料經(jīng)焊接后的接口橫截面掃描電鏡(SEM)照片；
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中所焊接樣品接口橫截面掃描電鏡(SEM)照片；
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中所焊接樣品接口橫截面掃描電鏡(SEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0029]圖1中的附圖標(biāo)記為:1、第一件MAX相陶瓷材料；2、第二件MAX相陶瓷材料；3、上電極；4、下電極；5、電源。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]在本實(shí)施例中，第一件MAX相陶瓷材料I與第二件MAX相陶瓷材料2均為T(mén)i3SiC2塊體材料，對(duì)兩塊Ti3SiC2材料進(jìn)行焊接，具體方法如下:
[0032](I)將兩塊Ti3SiC2材料I與2的待焊接表面打磨、拋光后用丙酮及去離子水洗滌干凈;
[0033](2)如圖1所示，將該兩塊Ti3SiC2材料的待焊接表面對(duì)齊接觸在一起，兩塊Ti3SiC2材料分別與石墨上電極3以及石墨下電極4相連，電源5、石墨上電極3、兩塊Ti3SiC2材料I與2以及石墨下電極4構(gòu)成閉合回路；
[0034](3)通過(guò)石墨電極3與4在兩塊Ti3SiC2材料I與2上施加13MPa的壓力；
[0035](4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加電流，Ti3SiC2材料I與2的接觸面在電流的作用下產(chǎn)生焦耳熱迅速升溫，使接觸面的Ti3SiC2材料激活并互擴(kuò)散，當(dāng)電流強(qiáng)度加載至2.2KA后，停止加載電流；
[0036](5)待Ti3SiC2材料I與2冷卻至室溫后取出，整個(gè)焊接過(guò)程完成。
[0037]上述焊接過(guò)程的時(shí)間僅為6min。圖2是上述Ti3SiC2材料經(jīng)焊接后的接口橫截面光學(xué)照片，圖3是該Ti3SiC2材料經(jīng)焊接后的接口橫截面掃描電鏡(SEM)照片。從圖2與圖3中可以看出，該兩塊Ti3SiC2材料連接成為一體，接口處無(wú)焊縫，無(wú)界面。
[0038]實(shí)施例2:
[0039]本實(shí)施例中，第一件MAX相陶瓷材料I與第二件MAX相陶瓷材料2均為T(mén)i3SiCj^體材料，對(duì)兩塊Ti3SiC2材料進(jìn)行焊接，具體方法與實(shí)施例1所述基本相同，所不同的是:在步驟(3)中，通過(guò)石墨電極3與4在兩塊Ti3SiC2MW I與2上施加IMPa的壓力；在步驟(4)中，電流強(qiáng)度加載至2.2KA后停止加載電流；焊接過(guò)程的時(shí)間為7min。
[0040]圖4是該Ti3SiC2M料經(jīng)焊接后的接口橫截面掃描電鏡(SEM)照片。從圖中可以看出，該兩塊