陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法的製作方法
2023-10-27 19:30:22 2
專利名稱：陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種超聲金屬塗覆法，特別是一種陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，屬於金屬鑄造領域。
背景技術：
實現陶瓷與金屬的有效連接可進一步擴大陶瓷與金屬的應用範圍，但由於陶瓷和金屬是兩類性質不同的材料，相互結合時在界面上存在著化學及物理性能的差異，特別是化學鍵差異較大，很難實現兩者的有效連接。無論是採用整體連結方式的粘合劑粘接連、釺焊和固相壓力擴散焊，還是以熱噴塗為代表的表面加工方法，陶瓷與金屬層的結合強度都不高，對連接表面的加工和連接設備的要求高，工藝複雜。經文獻檢索發現，熊華平等人在《材料科學與工藝》，1999(7)148-152上撰文「Cu-Ni-Ti系合金釺料對Si3N4陶瓷自身及其與金屬的連接研究」，該文介紹了釺焊時因為陶瓷材料很難被釺料潤溼，大多數釺料在接頭上往往只形成球珠，很少產生或根本不產生潤溼，因此需要添加表面活性元素並在高溫保護氣氛下進行燒結處理，形成的金屬化層一般厚度僅為數十微米，不僅工藝複雜，工件亦變形，且由於陶瓷與金屬的熱膨脹係數相差懸殊，會引起較大的界面殘餘應力，容易導致接頭在使用過程中開裂。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，使其利用高能超聲的方法，在陶瓷的表面形成結合緊密、無缺陷的含有陶瓷微粒的金屬層，使其實現陶瓷與金屬的牢固連結。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明方法以高能超聲為手段，採用微細陶瓷粉末與金屬液形成的複合材料作為金屬塗層，利用高能超聲實現微細陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻彌散分布，並以此為塗層在高能超聲的作用下實現與陶瓷表面牢固粘接的金屬塗覆。
以下對本發明方法作進一步的說明，方法步驟如下
(1)首先在超聲作用下實現微細陶瓷顆粒在金屬熔體中的均勻分散，陶瓷顆粒可選擇與基體陶瓷性質相同或相近的材料，顆粒體積分數為0-5％，顆粒平均粒度為0.1-10微米。陶瓷工件在處理前採用常規超聲清洗工藝清洗表面，並在與金屬液熔化溫度相同的溫度條件下加熱保溫30分鐘；金屬為需要塗覆的金屬層本身，當所用金屬為易氧化材料時，可採用惰性氣體加以保護。
(2)在金屬液槽中加入混有微細陶瓷顆粒的金屬液，利用加熱保溫設備維持金屬液在金屬熔點以上40度，金屬液的加入量需保證超聲變幅杆的端面在液面下0.5-3mm；(3)用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下0.1-1.5mm。
(4)調整超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離並保持在0.4-2.9mm。
(5)使用超聲頻率為19-22kHz，變幅杆端面的聲能密度不小於100W/cm2。
(6)處理時間根據工件的材質決定，一般為0.5-5min，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速根據陶瓷與金屬液的潤溼性及金屬液自身的表面張力大小的不同而改變，一般為100-250rpm，從而確保工件金屬層表面的光潔。
(7)將塗覆有金屬層的陶瓷工件緩慢冷卻。
高能超聲的作用在於通過空化效應與射流效應將陶瓷微粒均勻分散在金屬熔體中，然後同樣是在空化效應與射流效應的作用下，一方面活化陶瓷表面，一方面促進金屬與陶瓷間的潤溼，從而實現金屬與陶瓷的緊密結合。對緻密度不高的陶瓷來說，可以在金屬塗層與陶瓷間形成價鍵結合之外，產生一定的機械結合作用。對高緻密度陶瓷而言，則主要依靠金屬與陶瓷間形成的價鍵結合。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明利用高能超聲對陶瓷表面塗覆金屬，是在超聲場的作用下，藉助超聲波產生的力和熱的綜合效應，將純金屬、合金或混有微細陶瓷顆粒的金屬基複合材料塗覆於陶瓷表面的工藝過程。本發明可降低目前常用金屬化溫度，所用極細顆粒均勻分散於金屬層中時，可顯著減小金屬與陶瓷間連接區域的熱應力，實現陶瓷與金屬的牢固連接。同時本方法對陶瓷材料的種類並無限制，可在各類陶瓷工件的表面製備金屬塗層，塗層厚度可調，且可以在金屬塗層中添加相應的陶瓷微粒，以調節塗層與基體陶瓷間的熱應力狀態，提高塗層與基體陶瓷間的結合力。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容，提供以下實施例實施例1金屬液工業純鋁；陶瓷氧化鋁陶瓷，其中Al2O3含量95％。
在金屬液槽中加入含有5％(體積分數)0.1微米氧化鋁微粒的工業純鋁液，利用加熱保溫設備維持金屬液在700℃，超聲變幅杆的端面在液面下0.5mm。用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下0.1mm。超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離保持在0.4mm。超聲頻率為19kHz，變幅杆端面的聲能密度為120W/cm2。處理時間為2min，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速100rpm。塗覆層厚度0.3mm，塗覆層為含有5％(體積分數)0.1微米氧化鋁微粒的鋁，金屬層與陶瓷結合緊密，無缺陷。
實施例2金屬液工業純鋁；陶瓷碳化矽陶瓷，其中碳化矽含量99.5％。
在金屬液槽中加入工業純鋁液，利用加熱保溫設備維持金屬液在700℃，超聲變幅杆的端面在液面下3mm。用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下1.5mm。超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離保持在1.5mm。超聲頻率為22kHz，變幅杆端面的聲能密度為120W/cm2。處理時間為0.5min，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速200rpm。塗覆層厚度0.1mm，塗覆層為純鋁，金屬層與陶瓷結合緊密，無缺陷。
實施例3金屬液工業純鋅；陶瓷氧化鋯陶瓷，其中二氧化鋯含量98.5％。
在金屬液槽中加入含有5％(體積分數)10微米氧化鋯微粒的工業純鋅液，利用加熱保溫設備維持金屬液在520℃，超聲變幅杆的端面在液面下2mm。用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下1mm。超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離保持在1mm。超聲頻率為20kHz，變幅杆端面的聲能密度為150W/cm2。處理時間為3min，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速150rpm。塗覆層厚度0.2mm，塗覆層為含有5％(體積分數)10微米氧化鋯微粒的鋅，金屬層與陶瓷結合緊密，無缺陷。
實施例4金屬液工業純鋁；陶瓷氮化矽陶瓷，其中氮化矽含量98.5％。
在金屬液槽中加入含有3％(體積分數)5微米氮化矽微粒的工業純鋁液，利用加熱保溫設備維持金屬液在700℃，超聲變幅杆的端面在液面下3mm。用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下0.1mm。超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離保持在2.9mm。超聲頻率為20kHz，變幅杆端面的聲能密度為150W/cm2。處理時間為5min，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速250rpm。塗覆層厚度0.2mm，塗覆層為含有3％(體積分數)5微米氮化矽微粒的鋁，金屬層與陶瓷結合緊密，無缺陷。
權利要求
1.一種陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，其特徵在於，以高能超聲為手段，採用微細陶瓷粉末與金屬液形成的複合材料作為金屬塗層，通過高能超聲實現微細陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻彌散分布，並以此為塗層在高能超聲的作用下實現與陶瓷表面牢固粘接的金屬塗覆。
2.根據權利要求1所述的陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，其特徵是，方法步驟如下(1)首先在超聲作用下實現微細陶瓷顆粒在金屬熔體中的均勻分散，陶瓷顆粒選擇與基體陶瓷性質相同或相近的材料，顆粒體積分數為0-5％，顆粒平均粒度為0.1-10微米；(2)在金屬液槽中加入混有微細陶瓷顆粒的金屬液，利用加熱保溫設備維持金屬液在金屬熔點以上40度，金屬液的加入量滿足超聲變幅杆的端面在液面下0.5-3mm；(3)用專用夾具將待處理的陶瓷工件夾持住並置於金屬液上方，將預加工面浸入金屬液面以下0.1-1.5mm；(4)調整超聲變幅杆的端面和陶瓷工件的預加工面間的距離並保持在0.4-2.9mm；(5)使用超聲頻率為19-22kHz，變幅杆端面的聲能密度大於或者等於100W/cm2；(6)處理時間根據工件的材質決定，加工完畢，在夾具的作用下通過旋轉作用產生的離心力將陶瓷表面粘附的金屬液與工件分離掉，轉速根據陶瓷與金屬液的潤溼性及金屬液自身的表面張力大小確定；(7)將塗覆有金屬層的陶瓷工件緩慢冷卻。
3.根據權利要求1所述的陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，其特徵是，陶瓷工件在處理前採用常規超聲清洗工藝清洗表面，並在與金屬液熔化溫度相同的溫度條件下加熱保溫30分鐘；金屬為需要塗覆的金屬層本身，當所用金屬為易氧化材料時，採用惰性氣體加以保護。
4.根據權利要求2所述的陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，其特徵是，處理時間根據工件的材質決定，處理時間通常為0.5-5min；旋轉轉速根據陶瓷與金屬液的潤溼性及金屬液自身的表面張力大小確定，通常為100-250rpm。
全文摘要
一種陶瓷表面的高能超聲金屬塗覆法，屬於金屬鑄造領域。本發明以高能超聲為手段，採用微細陶瓷粉末與金屬液形成的複合材料作為金屬塗層，通過高能超聲實現微細陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻彌散分布，並以此為塗層在高能超聲的作用下實現與陶瓷表面牢固粘接的金屬塗覆。本發明可降低目前常用金屬化溫度，所用極細顆粒均勻分散於金屬層中時，可顯著減小金屬與陶瓷間連接區域的熱應力，實現陶瓷與金屬的牢固連接。同時本方法對陶瓷材料的種類並無限制，可在各類陶瓷工件的表面製備金屬塗層，塗層厚度可調，且可以在金屬塗層中添加相應的陶瓷微粒，以調節塗層與基體陶瓷間的熱應力狀態，提高塗層與基體陶瓷間的結合力。
文檔編號C23C2/00GK1450193SQ0311680
公開日2003年10月22日 申請日期2003年5月8日 優先權日2003年5月8日
發明者王俊, 李克, 疏達, 張佼, 倪紅軍, 孫寶德 申請人:上海交通大學