陶瓷与高温合金复合构件及其制造方法

氮化硅（Si3N4）陶瓷是一种高温结构陶瓷，具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、以及优异的高温力学性能和热稳定性，是非常有应用前景的结构陶瓷，但是由于Si3N4陶瓷硬度大、易脆裂、机械加工性能差，限制了其大规模的应用。镍基高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性和加工性能等综合性能，与Si3N4陶瓷在性能上形成了一种明显的互补关系。将Si3N4与高温合金连接起来制成陶瓷/金属复合构件，这样既可以发挥 Si3N4陶瓷材料本身优异的高温性能，又可以展现出高温合金材料优良的塑韧性，可极大的拓宽材料在航空航天等高端装备领域的应用前景。因此，耐高温的Si3N4陶瓷与金属连接的研究，已成为一项有着重要工业应用前景的高新技术研究项目，受到了各工业发达国家的高度重视。为了实现陶瓷、金属的有效连接，大量的连接方法，如扩散焊、部分瞬间液相连接。自蔓延高温合成连接和钎焊等被相继开发出来。但是目前的陶瓷/连接技术其连接界面均为平直界面，必须要借助中间材料来实现陶瓷与金属的连接，因此仍然存在几个制约其使用的问题：（1）由于陶瓷与金属之间固有的理化特性差异和材料润湿性的问题，仅依靠钎料或中间层材料，难以有效的减缓陶瓷与金属之间的性能差异，导致接头部位的残余应力大、连接强度较低、稳定性和可靠性也较差，在服役过程中易出现连接部位的冲击碎裂、蠕变裂纹等形式的失效；（2）由于钎料或中间层材料的熔点较低（≤1000℃），导致陶瓷/金属复合构件无法满足高温热载工况下的使用要求：（3）传统的焊接连接工艺难以实现大型复杂结构件的连接，无法满足复杂、苛刻的服役工况对陶瓷/金属复合构件的要求。为了解决上述陶瓷/金属复合构件制备和使用过程中存在的问题，团队开发了一种陶瓷与高温合金复合构件及其制造方法，在陶瓷/高温合金的结合部位引入了连接结构，采用物理铰接的方式在陶瓷/高温合金连接的冶金结合之外，再增加一种机械咬合，从而实现陶瓷/高温合金的双重强化连接。陶瓷与高温合金复合构件中，陶瓷基体和高温合金基体之间通过物理连接结构连接；物理连接结构包括：陶瓷基体上设置的用于与高温合金基体连接的第一物理连接结构，以及高温合金基体上设置的用于与陶瓷基体连接的第二物理连接结构；过渡层设置于陶瓷基体与高温合金基体的连接界面上。本发明通过一体化 3D 打印成形，得到陶瓷与高温合金复合构件的成型体；对成型体表面进行去粉处理、强化烧结，得到陶瓷与高温合金复合构件。在陶瓷高温合金的结合部位引入了连接结构，采用物理铰接的方式在陶瓷/高温合金连接的冶金结合之外，再增加一种机械咬合，从而实现陶瓷/高温合金的双重强化连接。