一种用于氧化锆陶瓷间烧结连接的制备方法与流程

1.本发明涉及氧化锆陶瓷烧结技术领域，具体涉及一种用于氧化锆陶瓷间烧结连接的制备方法。


背景技术：

2.氧化锆制备的结构陶瓷器件、功能陶瓷器件广泛应用于航空、航天、石油化工、核工业、医疗器械、清洁能源、节能环保等领域。
3.例如，采用掺杂约3mol％氧化钇的氧化锆粉料(3ysz)，成型、烧结获得的部分稳定氧化锆陶瓷，是一类增韧效果优良的结构陶瓷，具有热导率低、强度和韧性好、弹性模量低、抗热冲击和工作温度高(可达1200℃)等优点，可用于制造耐高温的发动机零件，制作人造骨骼、关节和牙齿等，制造陶瓷刀具、光纤接插件、套管和跳线等。
4.例如，采用掺杂约5mol％或8mol％氧化钇的氧化锆粉料(5ysz或8ysz)，成型、烧结获得的全稳定氧化锆陶瓷，具有高温热离子导电特性的功能陶瓷，是制备氢燃料电池堆的核心固态电解质材料，是制备测氧量探测器、氧传感器、氧泵的核心敏感元件材料等。
5.在现有实用领域中，传感器常常使用于恶劣的环境，高温、高冲刷等，结构陶瓷在此种环境中十分适用，但是结构陶瓷无法用于制备核心敏感元件，而功能陶瓷能够满足核心敏感元件的制备，但是其作为核心敏感元件时，其体积、厚度均受到限制，无法在高温、高冲刷的工作环境中长时间使用，大大降低了传感器或探测器的使用寿命。
6.因此，亟需获得一种能够满足作为核心敏感元件的同时还能够在恶劣环境使用的陶瓷材料。


技术实现要素：

7.本发明要解决上述技术问题并提供一种用于氧化锆陶瓷间烧结连接的制备方法，能够将不同使用功能的氧化锆陶瓷烧结为一体，既能充分利用到陶瓷的增韧性能，又能拓宽氧化锆功能陶瓷的应用领域与范围、延长使用寿命。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于氧化锆陶瓷间烧结连接的制备方法，包括以下步骤：
9.1)素坯制备，将氧化锆粉料制备成外套陶瓷素坯和内套陶瓷素坯，用于制备外套陶瓷素坯的氧化锆粉料中氧化钇的掺杂量为3mol％或5mol％，用于制备内套陶瓷素坯的氧化锆粉料中氧化钇的掺杂量为5mol％或8mol％，外套陶瓷素坯和内套陶瓷素坯之间设置有用于套接的套接部；
10.2)预烧结素坯，将套接密封连接的外套陶瓷素坯和内套陶瓷素坯放置在高温炉中预烧结处理，得到内套接陶瓷件和外套接陶瓷件；
11.预烧结处理的烧结工艺为：以1-10℃/min的升温速率加热至450-600℃，保温60-150min后，以1-10℃/min的升温速率加热至850-1050℃，保温60-150min时间后，以3-15℃/min的降温速率，降至400-600℃，最后自然冷却至室温；
12.3)陶瓷浆料的配制，将1)中用于制备外套陶瓷素坯和内套陶瓷素坯的两种氧化锆粉料混合，得到粉体配料，粉体配料与质量比占30-50wt％的蓖麻硬化油、聚乙烯醇、丙三醇、松油醇中的一种或几种进行混合，研磨调制成浆料备用；
13.4)对预烧结获得的内套接陶瓷件和/或外套接陶瓷件的套接部进行打磨处理，使内套接陶瓷件和外套接陶瓷件的套接部之间形成0.05至0.30mm的间隙，然后在套接部涂敷浆料并将内套接陶瓷件和外套接陶瓷件套接在一起，形成套接装配件；
14.5)将套接装配件放置在高温硅钼炉中进行烧结连接，完成烧结后即可获得复合连接器件；
15.对于套接装配件烧结连接的烧结工艺为：以1-10℃/min的升温速率加热至450-600℃，保温60-120min后，以1-10℃/min的升温速率加热至900-1100℃，保温60-150min时间后，以1-10℃/min的升温速率加热至1400-1550℃，保温60-150min时间后，以3-15℃/min的降温速率，降至400-600℃，最后自然冷却至室温。
16.进一步的，外套陶瓷素坯和内套陶瓷素坯采用注射成型、浇注成型、干压成型或冷等静压成型制备而成。
17.进一步的，预烧结处理的烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至980℃，保温120min时间后，以10℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温。
18.进一步的，在3)中，研磨的时间为10-30min。
19.进一步的，对于套接装配件烧结连接的烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1050℃，保温120min时间后，以5℃/min的升温速率加热至1450℃的某温度点，保温120min时间后，以5℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温。
20.进一步的，在2)中，高温炉为高温硅钼炉或高温硅碳炉。
21.进一步的，在3)中，两种氧化锆粉料的配比为1:1。
22.进一步的，所述复合连接器件为氧化锆结构陶瓷-功能陶瓷复合连接器件或者氧化锆功能陶瓷-功能陶瓷复合连接器件。
23.本发明的有益效果：
24.本发明研制出一种在氧化锆陶瓷间烧结连接制备的方法，可以获得氧化锆结构陶瓷-功能陶瓷复合连接器件，以及氧化锆功能陶瓷-功能陶瓷复合连接器件，这些器件既能充分利用氧化锆陶瓷的增韧性能，又能拓宽氧化锆功能陶瓷的应用领域与范围、延长使用寿命等，该类型复合陶瓷器件可用来制备耐高温的冶金/液态金属溶液定氧或测控氧探头，可用来制备耐温度700-1200℃的直插式耐高温烟气测氧探头及其它特定高温环境下的功能陶瓷器件，具有广阔的运用前景。
附图说明
25.图1是本发明的用于氧化锆陶瓷间烧结连接的流程图；
26.图2是本发明辅助涂覆浆料时的结构配合示意图；
27.图3是本发明辅助涂覆的截面结构示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
29.实施例1：
30.(1)采用冷等静压成型方法，将掺杂3mol％氧化钇的氧化锆粉料(3ysz)制备成长度为450mm、管径规格为φ15
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2mm的外套陶瓷素坯，且为管状素坯；将掺杂5mol％氧化钇的氧化锆粉料(5ysz)制备成长度为12.5mm，直径规格为φ12
×
2mm的内套陶瓷素坯，且为试管状素坯；管状素坯与试管状素坯之间具有能够套接密封连接的套接部。
31.(2)将(1)获得的套接密封连接的管状素坯(3ysz)放置在高温高温硅碳炉中预烧结处理，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至980℃，保温120min时间后，以10℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温；同时，套接密封连接的试管状素坯(5ysz)放置在高温硅碳炉中预烧结，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1050℃，保温120min时间后，以10℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温。得到内套接陶瓷件和外套接陶瓷件。
32.(3)陶瓷浆料的配制。将前述用于制备管状素坯与试管状素坯的3ysz与5ysz陶瓷粉料按照1：1称重各5g均匀混合，然后分别取丙三醇和松油醇各3.5ml，与称重混合好的3ysz与5ysz陶瓷粉料混合研磨20min调制成浆料备用。
33.(4)将(2)预烧结获得的内套接陶瓷件(5ysz)的套接部位进行打磨处理，外径约为11mm，使套接部位的间隙控制在 0.10至 0.15mm之间。然后再套接部位填充或涂敷陶瓷浆料，再进行套接，得到套接装配件。
34.(5)将(4)获得的套接装配件，放置在高温硅钼炉中进行烧结连接，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1050℃，保温120min时间后，以5℃/min的升温速率加热至1450℃的某温度点，保温120min时间后，以5℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温，陶瓷浆料能够在内套接陶瓷件和外套接陶瓷件之间起到良好的桥接过度作用，并且材料与制备内套接陶瓷件和外套接陶瓷件的原料一致，从而保证烧结时材料间的参数均一致，能够有效结合。
35.最终，获得所需结构陶瓷3ysz-功能陶瓷5ysz复合连接器件。通过检测，在复合连接器件的密封封接处未见裂纹，间隙连接致密，氦质谱检漏仪检测漏率优于3.0
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10-10
pa﹒m3/s。该器件用来制备耐温度1100℃的直插式耐高温烟气测氧探头核心元件，探测器的安装工业现场温度点在900-1100℃范围浮动变化，探测器连续测氧运行12月后，未见异常。
36.实施例2：
37.(1)采用冷等静压成型等方法，将掺杂3mol％氧化钇的氧化锆粉料(3ysz)制备成长度为500mm、管径规格为φ15
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2管状素坯；采用干压成型等方法，将掺杂8mol％氧化钇的氧化锆粉料(8ysz)制备成厚度为3.5mm，直径规格为φ12mm圆片状素坯；
38.(2)将(1)获得的套接密封连接的外套陶瓷素坯件(3ysz)放置在高温高温硅碳炉中预烧结处理，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1000℃，保温120min时间后，以10℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温；同时，套接密封连接的圆片状陶瓷素坯件(8ysz)放置在高温硅碳炉中预
烧结，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1100℃，保温120min时间后，以10℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温。
39.(3)陶瓷浆料的配制。将前述3ysz与8ysz陶瓷粉料按照1：1称重各5g均匀混合，然后分别取丙三醇和蓖麻硬化油各4.0ml，与称重混合好的3ysz与8ysz陶瓷粉料混合研磨20min调制成浆料备用。
40.(4)将(2)预烧结获得的内套接陶瓷件(8ysz)的套接部位进行打磨处理，外径约为11mm，使套接部位的间隙控制在 0.05至 0.10mm之间，打磨后得到内套接陶瓷件与外套接陶瓷件之间具有能够套接密封连接的套接部。然后在套接部位涂敷(3)获得的浆料，再进行套接。
41.(5)将(4)获得的套接件，放置在高温硅钼炉中进行烧结连接，烧结工艺为：以2℃/min的升温速率加热至500℃，保温90min后，以3℃/min的升温速率加热至1050℃，保温120min时间后，以5℃/min的升温速率加热至1500℃的某温度点，保温120min时间后，以5℃/min的降温速率，降至400℃，后随炉自然冷却至室温。
42.最终，获得所需结构陶瓷3ysz-功能陶瓷8ysz复合连接器件。通过检测，在复合连接器件密封封接处未见裂纹，间隙连接致密，氦质谱检漏仪检测漏率优于3.0
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10-10
pa﹒m3/s。该器件放置在恒温900℃硅探炉中，持续3000h后，取出检测未见开裂现象，氦质谱检漏仪检测漏率优于3.0
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10-10
pa﹒m3/s。
43.实施例3：
44.(1)采用冷等静压成型方法，将掺杂5mol％氧化钇的氧化锆粉料(5ysz)制备成长度为400mm、管径规格为φ19
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4mm的外套陶瓷素坯，且为管状素坯；将掺杂8mol％氧化钇的氧化锆粉料(8ysz)制备成长度为10mm，直径规格为φ12
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2mm的内套陶瓷素坯，且为试管状素坯；
45.(2)将(1)获得的套接密封连接的管状素坯(5ysz)放置在高温高温硅碳炉中预烧结处理，烧结工艺为：以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温130min后，以10℃/min的升温速率加热至1000℃，保温150min时间后，以15℃/min的降温速率，降至600℃，最后自然冷却至室温；同时，套接密封连接的试管状素坯(8ysz)放置在高温硅碳炉中预烧结，烧结工艺为：以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温130min后，以10℃/min的升温速率加热至1000℃，保温150min时间后，以15℃/min的降温速率，降至600℃，最后自然冷却至室温。
46.(3)陶瓷浆料的配制。将前述用于制备管状素坯与试管状素坯的5ysz与8ysz陶瓷粉料按照1：1称重各5g均匀混合，然后分别取蓖麻硬化油、聚乙烯醇、丙三醇、松油醇各2.5ml，与称重混合好的5ysz与8ysz陶瓷粉料混合研磨30min调制成浆料备用。
47.(4)将(2)预烧结获得的内套接陶瓷件(8ysz)的套接部位进行打磨处理，外径约为11mm，使套接部位的间隙控制在 0.20至 0.3mm之间。然后在套接部位填充陶瓷浆料，再进行套接，得到套接装配件。
48.(5)将(4)获得的套接装配件，放置在高温硅钼炉中进行烧结连接，烧结工艺为：以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温120min后，以10℃/min的升温速率加热至1100℃，保温150min时间后，以10℃/min的升温速率加热至1500℃，保温150min时间后，以10℃/min的降温速率，降至600℃，最后自然冷却至室温。
49.最终，获得所需功能陶瓷5ysz-功能陶瓷8ysz复合连接器件。通过检测，在复合连接器件的密封封接处未见裂纹，间隙连接致密，氦质谱检漏仪检测漏率优于3.0
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10-10
pa﹒m3/s。虽然复合连接的陶瓷均为功能陶瓷，但是通过本方法的焊接，能够将外套接陶瓷件制备有较厚的壁厚，此部分不用于功能检测使用，因此增加厚度对于整个复合连接器件没有使用影响，并且还能够提高自身强度，从而满足在高温、高冲刷的工作环境中长时间使用。
50.在上述多个实施例中，本发明还公开了一种用于涂覆浆料7的治具1，参照图2所示，该治具为橡胶堵头2，橡胶堵头底部设置有拉绳3，橡胶堵头顶面设置有圆台状的硬质凸部4，硬质凸部顶端的小头部位的直径大于内套接陶瓷件的内径，当内套接陶瓷件为圆片时，则比外套接陶瓷件的内径小2-4mm，硬质凸部的锥形换面、外套接陶瓷件5的内环面以及内套接陶瓷件6的底面之间配合形成储浆空间，能够存储浆料，以在烧结过程中，对此部位进行连接加强。
51.具体使用时，现将拉绳塞入外套接陶瓷件需要套接的端部，拉绳从另一端伸出，然后手持硬质凸部，将橡胶堵头从套接的端部塞入至硬质凸部表面与端部齐平，随后将浆料涂覆在内套接陶瓷件的打磨端以及硬质凸部与外套接陶瓷件内壁之间形成的空间内，接着将内套接陶瓷件插入外套接陶瓷件的端部，内套接陶瓷件端面挤压硬质凸部并推动硬质凸部移动，在于内套接陶瓷件和外套接陶瓷件之间的浆料以及硬质凸部与外套接陶瓷件内壁之间的浆料被挤压定型，参照图3所示，套接到位并在烧结前，通过拉绳将橡胶堵头拉出，完成辅助涂覆浆料的过程。该方式涂覆的涂料在烧结后，能够大大增加连接强度，内套接陶瓷件和外套接陶瓷件的结合更为牢固，且充分利用了内部夹角处的空间，不影响检测，操作便捷可靠。
52.以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。