一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法

本发明涉及扩散焊异种材料，具体涉及一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法。

背景技术：

1、在航空航天、能源勘探、船舶海洋等领域中，高温压力传感器有着广泛的应用，高温压力传感器可以在高温环境下监控航空发动机、航天发动机、油井钻探机以及大型锅炉等设备的关键部位的压力以及温度信息，实现极端环境下对各个部件的工作状态的监测。目前光纤法珀腔传感器因其结构简单、体积小、可靠性高、灵敏度高、响应时间迅速等特点广泛应用在高温、高压等极端环境的压力测量。蓝宝石因其具有良好的力学性能，光学透过性以及化学稳定性被用作传感器法珀腔以及窗口的材料。随着技术的发展常用的耐高温设备如涡轮发动机和火箭发动机等，其涡轮以及燃烧室等部件工作温度不断提高，设备主要部件长期处于800-1100℃高温环境中。传统的光纤法珀腔传感器封装材料由于光纤等耐热性能(≤800℃)限制长期工作的最高温度一般低于700℃；因此需要在传感器封装套筒中加工流道结构进行散热。然而传统的氧化铝套筒具有脆性大、塑韧性差、不易进行冷加工的特点此外还面临着与监测部位部件在长期热循环下连接强度以及密封性能的可靠性的问题。

2、镍基高温合金因具备耐高温、高强度、抗腐蚀、长寿命的优点广泛应用于航发机等高温设备的结构材料，最高可以在1200℃下长期工作。相比传统的氧化铝套筒，镍基高温合金塑韧性以及抗热冲击性能优异，热导率高，具备更强的可加工性因此有望可以成为800-1100℃下高温光纤法珀腔传感器的封装材料。

3、由于蓝宝石优异的化学稳定性为了得到可以在800-1100℃服役的可靠接头因此扩散连接蓝宝石与金属需要极高的焊接温度以及保温时间；然而过高的焊接温度会造成镍基高温合金晶粒急剧长大，晶界处强化相长大甚至溶解导致材料强度下降丧失抗蠕变性能发生变形，此外由于蓝宝石(热膨胀系数：5.0-8.8×10-6)与镍基高温合金(热膨胀系数：12.2-16.3×10-6)的热膨胀系数差异，过高的连接温度会在接头产生很大的残余应力进而降低接头强度。因此考虑使用活性元素对蓝宝石进行表面改性降低蓝宝石与镍基高温合金的扩散连接温度以及保温时间。ti元素可以在850℃以上与al2o3发生反应形成可靠的界面冶金结合，此外由于ti与ni可能形成低温共晶组织降低接头的服役温度因此使用cr元素隔绝ti层与ni，此外cr元素在接头的扩散也会提升接头的高温抗氧化能力，故本专利使用ti/cr作为改性层辅助蓝宝石与镍基高温合金的扩散连接。

4、通过表面镀膜的方法在蓝宝石表面形成均匀且致密的ti/cr层，随后将镀膜的蓝宝石进行高温热处理使ti层与蓝宝石发生界面反应，增强界面的冶金结合，之后使用ni箔中间层扩散连接表面改性后的蓝宝石与镍基高温合金；同时随着cr改性层对ti元素以及cr元素的隔绝以及其在接头的扩散从而提高接头的耐高温性能以及抗氧化性能。采用本发明的工艺，可以显著降低蓝宝石与镍基高温合金的扩散连接温度以及焊接保温时间，得到的焊接接头满足可靠连接、气密性良好、高温服役等需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决蓝宝石化学性质稳定难以反应，并且由于其与镍基高温合金材料热膨胀系数差异大导致焊接接头残余应力大、接头强度低以及接头难以抵抗热冲击的问题，而提供一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法。

2、一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，按以下步骤进行：

3、步骤s1：蓝宝石表面金属化；

4、将蓝宝石置于溅射台上，装配ti靶材并关闭炉门，抽真空后通入ar气，打开直流电源进行磁控溅射，得到表面镀ti的蓝宝石；

5、将ti靶材更换为cr靶材，采用相同的真空度及功率对表面镀ti的蓝宝石继续进行磁控溅射，得到表面镀ti/cr的蓝宝石；

6、将表面镀ti/cr的蓝宝石置于真空热处理炉中，抽真空后加热至900~1100℃，并在900~1100℃下保温30~180min；保温结束后冷却至室温，得到表面金属化的蓝宝石；

7、步骤s2：待焊件的装配；

8、由下至上将镍基高温合金、ni箔中间层和步骤s1中得到的表面金属化的蓝宝石叠放，且保证镍基高温合金的待焊面朝上及蓝宝石的金属化表面朝下放置，得到装配件；

9、所述的镍基高温合金为gh3128合金；

10、步骤s3：真空扩散焊连接；

11、将步骤s2中得到的装配件压紧，然后放置于真空热处理炉中，抽真空后加热至900~1100℃，并在900~1100℃下保温30~90min；保温结束后冷却至200℃以下，完成表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金。

12、本发明的有益效果：

13、本发明采用磁控溅射的方法对蓝宝石进行表面镀ti/cr膜，随后进行热处理后得到蓝宝石表面的改性层。表面镀ti首先能够与蓝宝石基体反应，有效解决蓝宝石界面冶金反应困难的问题，随后镀cr膜可以起到阻隔ti元素与ni元素，防止接头产生低熔点的tini化合物的作用，从而提高接头的服役温度，此外cr元素在接头中扩散也会提升接头的高温抗氧化能力。蓝宝石表面镀ti/cr膜促进了蓝宝石与ni箔中间层的界面扩散反应，ti/cr改性层能够与ni箔中间层相互扩散与蓝宝石反应结合良好，对比未进行表面改性的蓝宝石，在蓝宝石与中间层界面处有明显反应层生成，提高了蓝宝石与中间层的冶金结合，且表面改性后的蓝宝石与接头界面组织弹性模量更高，结合更加紧密，从而大幅提高接头强度。

14、本发明可获得一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法。

1.一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s1中所述的蓝宝石在使用前先进行以下前处理：

3.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s1中所述的ti靶材和cr靶材在使用前均先进行以下前处理：

4.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s1中蓝宝石表面镀ti时，抽真空至真空度为1×10-5hpa以下，磁控溅射的功率为250~350w。

5.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s1中蓝宝石表面镀cr时，抽真空至真空度为1×10-5hpa以下，磁控溅射的功率为250~350w。

6.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s1中将表面镀ti/cr的蓝宝石置于真空热处理炉中，抽真空至真空度为5×10-3pa以下后开始加热，加热速率≤10℃/min，降温速率≤10℃/min。

7.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s2中所述的镍基高温合金和表面金属化的蓝宝石在使用前先进行以下前处理：

8.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s2中所述的ni箔中间层在使用前先进行以下前处理：

9.根据权利要求2、3、7或8所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，所述的清洗剂为酒精或丙酮。

10.根据权利要求1所述的一种表面金属化辅助扩散焊接蓝宝石与镍基高温合金的方法，其特征在于，步骤s3中抽真空至真空度为5×10-3pa以下后开始加热，加热速率为5~15℃/min，降温速率≤10℃/min。