CNTs增强TiNi复合钎料钎焊SiO2-BN陶瓷与Nb的机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kekexil123
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SiO2-BN陶瓷具有优异的耐高温性、抗热冲击性及抗腐蚀性,以及良好的力学性能和热物理性能,介电性能以及抗热震性能,已经成功应用于天线罩、火箭发动机喷管等航空航天部件。Nb是一种广泛用于航空航天的高温金属材料,具有高比强度、耐高温及耐腐蚀等特性。实际应用中常将两者连接制成SiO2-BN陶瓷基复合材料与Nb的复合构件以实现其优势互补的作用。采用钎焊方法连接上述两种材料时,存在以下几个突出问题:母材热胀系数不匹配引起的高残余应力,高温力学性能差,钎料在陶瓷表面润湿性差等问题。但常规钎料难以满足上述要求。所以,迫切需要开发一种新型钎料,以满足上述要求。本课题针对上述要求,拟采用碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)作为增强体,开发制备一种具有低热膨胀系数、良好力学及高温性能的CNTs增强TiNi复合钎料,来实现SiO2-BN陶瓷与Nb的高质量连接。本文采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法低温原位在TiH2粉末上制备CNTs/TiNi复合钎料,实现了CNTs在复合钎料中均匀分散且结构保持完整。其最佳CNTs/TiNi复合钎料制备工艺参数为:生长温度为570℃,CH4与H2的流量比为40:10,气体总压强为700Pa,射频功率为175W。在此工艺参数下制备出的CNTs/TiNi复合钎料中CNTs的分散均匀、长度及密度适中、纯度高、结构完整。研究表明,少量CNTs(1.5~7.5Vol.%)的加入对TiNi复合钎料的熔点基本无影响,但却显著改善了复合钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿性。向TiNi钎料中加入少量CNTs后,分析SiO2-BN/Nb接头界面组织可知,Nb元素在钎缝中的扩散距离更远,TiNi-(Nb,Ti)共晶分布区域显著增宽。由于TiNi-(Nb,Ti)共晶具有良好的塑韧性,因此采用CNTs/TiNi复合钎料后,SiO2-BN/Nb接头抗剪强度显著提升,其最佳工艺参数为:钎焊温度T=1140℃,保温时间t=5min,复合钎料中CNTs体积分数为1.5%,此时接头室温抗剪强度可达83MPa,比未添加CNTs时提高了近70%。此外,由于钎缝中存在大量高温性能优异的Nb元素,而且,CNTs亦具有优异的高温性能并可在高温下阻碍晶粒长大,因此采用CNTs/TiNi复合钎料钎焊的SiO2-BN/Nb接头在高温也下表现出优异的力学性能,其在800℃下的抗剪强度为49MPa,高温强度保留率达到60%,均远高于采用TiNi钎料钎焊接头的高温抗剪强度(20MPa)。研究表明,TiNi钎料与CNTs有良好的界面结合,经高温退火后,CNTs仍然保留其管状结构,TiNi钎料在CNTs表面的分布均匀且连续。Ti元素仅在CNTs外壁破损与其发生反应,生成少量的TiC。在CNTs/TiNi/SiO2-BN体系中,由于Ti元素与CNTs有着极强的亲和力以及良好的界面润湿性,使得CNTs在CNTs/TiNi/SiO2-BN润湿体中起到了提高Ti原子扩散速度的作用,有效改善了TiNi钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿性。
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