Ti2AlC陶瓷与铜钎焊工艺及机理研究

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本文首次采用Al箔和Cu-Sn-Ti粉末两个系列钎料,连接Ti2AlC陶瓷与紫铜,研究了钎焊工艺参数和钎料成分对钎焊接头的组织、力学性能和电性能的影响。采用抗剪强度试验测试钎焊接头的力学性能,通过测量电阻计算电导率来评价接头的电性能;用X射线衍射、扫描电子显微分析和能谱分析等手段观察和分析显微组织及接头断口形貌,初步确定了最佳连接规范参数并探讨了连接机理。采用Al箔钎料连接Ti2AlC陶瓷与铜,接头的构成为:Cu母材/Cu[Al]固溶体/Al4Cu9层/Cu[Al]+Ti2AlC+TiC扩散区/Ti2AlC陶瓷母材。在本试验条件下,采用Al箔作为钎料连接Ti2AlC陶瓷与铜,在焊缝中皆存在裂纹和孔洞等微观缺陷,导致接头连接性能降低。本研究认为Al箔不适合作为钎料连接Ti2AlC陶瓷与铜。采用Cu-Sn-Ti钎料成功连接了Ti2AlC陶瓷和铜,接头的构成为:Ti2AlC陶瓷/Ti2AlC+Cu[Al]+TiC扩散层/焊缝/Cu[Al]扩散层/Cu母材,其中焊缝部分由Cu[Al]固溶体基体+Ti[CuAl]2+AlCu2Ti反应相构成。连接机理为:钎料中的Cu向Ti2AlC陶瓷母材中扩散,使得Ti2AlC分解释放的Al向液态钎料Cu中扩散并固溶;母材Cu向液态钎料的扩散,最终在两侧界面实现冶金结合。当钎料中的Sn含量由10at.%增加到20at.%时,可将钎焊温度降低约30℃,但Sn含量的增加,导致焊缝中出现大量的CuSn3Ti5反应相,使得向Ti2AlC陶瓷中扩散的Cu量减少,接头剪切强度和电导率降低。当使用Cu80Sn10Ti10钎料连接Ti2AlC陶瓷-铜时,随着连接温度提高,接头的剪切强度提高,电导率先增大后减小。随着钎焊保温时间延长,由于Cu对Ti2AlC陶瓷母材的溶解过于剧烈,接头的强度降低。确定使用Cu-Sn-Ti钎料钎焊连接Ti2AlC陶瓷与铜的最佳工艺为:钎料成分为Cu80Sn10Ti10(at.%),在950℃/10min条件下,接头的剪切强度为158MPa,电导率为5.651×106s/m。
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