采用Au基高温钎料钎焊SiC陶瓷的连接工艺与机理研究

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为提升核反应堆中核燃料元件的安全性,开发具有更强事故容错能力的核燃料包壳材料至关重要。SiC陶瓷是一种极具潜力的核燃料包壳备选材料,但其机加工性能较差,难以制成较复杂的结构,特别地,核燃料包壳长期服役于高温和强氧化等特殊的环境。因此,SiC陶瓷之间高温连接的相关研究具有重要意义。本文设计了一种新型(Au79Ni17Pd4)96Ti4(wt.%)高温钎料,并采用该钎料在不同钎焊温度(1150-1300℃)和不同保温时间(10-90 min)下进行SiC陶瓷之间的连接试验。本文分析了接头内的典型微观组织和钎料熔化过程,在此基础上探讨接头的连接机理。然后,本文分别研究了钎焊温度和保温时间对接头微观组织及力学性能的影响。此外,本文研究了各个钎焊工艺下所获得接头的断裂方式,并分析了接头内各相物理性质与残余应力的关系。(1)接头内典型微观组织可表示为:SiC/反应层/钎缝中心区域/反应层/SiC。其中,反应层主要由TiC组成,其内分布着一些Au(Si,Ti);钎缝中心区域主要由Pd2Si、Ni2Si和Au(Ni,Si)组成,在Au(Ni,Si)上还弥散分布着大量细小的TiC颗粒。(2)组合箔片形式的Au-Ni-Pd-Ti钎料在950℃左右开始熔化,约1150℃完全转变为液相。钎缝内TiC、Pd2Si和Ni2Si均在升温阶段开始形成,Au(Si,Ti)和Au(Ni,Si)在降温阶段凝固形成。(3)在固定保温时间为10 min的条件下,反应层随钎焊温度的提高而变厚;在钎焊温度为1300℃下,所获得缝中心区域的TiC颗粒明显长大。在固定钎焊温度为1250℃条件下,随着保温时间的延长,反应层逐渐变厚,并且钎缝中心区域的TiC颗粒逐渐长大。本文中,改变钎焊温度或保温时间所获得的Pd2Si或Ni2Si的形貌均不发生明显变化。(4)接头的断裂方式表明:钎料与母材的连接界面强度较高且界面结合良好,较高的残余应力导致了接头的破坏。为进一步地降低接头内残余应力水平,可以通过调整钎焊工艺或改变钎料成分控制接头内反应层厚度及各种反应相的体积分数等。(5)基于改变钎料成分的考虑,本文采用一系列的Au-Ni-Pd钎料进行了SiC陶瓷之间的连接试验。试验结果表明:随着钎料内Pd含量的增加,所获得接头内Pd2Si的体积分数增大。这不仅有利于降低接头内残余应力水平,而且有利于接头的高温强度。
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