氮化硅陶瓷与镍基合金钎焊接头的残余应力研究

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本文采用Au-Ni-V活性钎料钎焊连接Si3N4陶瓷与镍基合金,使用ANSYS有限元软件模拟计算了加入不同厚度、不同材料的中间层对接头残余应力的影响,并通过试验对模拟计算结果进行验证。  使用Au-Ni-V钎料直接钎焊Si3N4陶瓷与镍基合金,钎料对两侧母材润湿性良好,但由于热膨胀系数的差异导致残余应力过大,造成接头在冷却过程中发生断裂,无法得到具有良好性能的接头。通过扫描电镜对接头组织进行观察发现钎缝主要由三部分组成:陶瓷与钎料界面之间的V2N反应层,焊缝中的白色富Au固溶体,以及灰色富Ni固溶体。  数值模拟计算结果表明:软质中间层Ni和Cu依靠其自身的塑性变形,能有效降低接头中陶瓷部分的残余应力,中间层的屈服强度越低,对残余应力缓解的作用越明显。随着中间层厚度的增加,接头残余应力先减小后增大,存在最佳中间层厚度配比。硬质中间层W通过对残余应力的分担和转移来降低陶瓷上的残留应力值,残余应力随中间层厚度的增加不断减小。对于Cu和W组成的双层复合中间层,在Cu靠近陶瓷一侧时接头残余应力较低,而当W靠近陶瓷一侧时对残余应力缓解效果较差。  在不同的钎焊工艺条件下,对加入单层中间层接头的组织观察结果表明:Mo和Ni中间层的加入,降低了钎料对母材的润湿性,使得接头的连接性能恶化,导致接头性能降低;而加入W和Cu中间层时,由于其与钎料的交互作用较弱,不影响钎料对母材的连接性能,因此可以得到性能相对较高的接头。  接头性能测试的结果表明:在保证钎料对陶瓷母材润湿性的前提下,采用相同的钎焊工艺条件,中间层厚度变化对接头性能的影响规律与数值模拟结果一致。
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