采用Ag-Cu-Ti钎料连接BN-Si3N4与AlON的工艺与机理研究

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Si3N4陶瓷具有良好的力学性能、介电性能和抗雨雪风沙侵蚀能力,因此是制备导弹天线罩的理想材料,在Si3N4陶瓷中引入h-BN虽然对陶瓷的力学性能有一定的损伤,但是能够显著改善其介电性能,制备的BN-Si3N4复合陶瓷具有更加优秀的透波性能。AlON透明陶瓷在红外光波段具有良好的透光性,此外还具有高强度、高硬度和优异的抗雨水砂石侵蚀的能力,是红外窗口的理想材料。因此,实现BN-Si3N4与AlON陶瓷的可靠连接是制备红外制导导弹的关键。本文首先通过SPS技术制备了AlON陶瓷,并且研究了Ag-Cu-Ti钎料在BN-Si3N4陶瓷和AlON陶瓷上的润湿和铺展行为,为之后的钎焊连接提供参考。使用Ag-Cu-Ti钎料连接BN-Si3N4/AlON,研究了钎焊温度、保温时间和钎料层厚度对接头组织和性能的影响,并结合热力学分析了钎焊连接机理。以Al N粉末和Al2O3粉末为原料,在真空条件下,通过SPS技术制备AlON陶瓷。研究结果表明,随着烧结温度和保温时间的提高,AlON的产率逐渐升高。当烧结温度为1650℃,保温时间为15min,Al N和Al2O3的摩尔比为Al N:Al2O3=38:62时成功制备出单相纯净的AlON陶瓷。研究了Ag-Cu-Ti钎料在BN-Si3N4陶瓷和AlON陶瓷表面的润湿和铺展行为,研究结果表明,Ag-Cu-Ti钎料在上述两种陶瓷母材上的润湿属于典型的反应驱动润湿,可以将整个润湿和铺展过程分为四个阶段,分别是钎料初始熔化阶段、体系接触角缓慢下降阶段、体系接触角快速下降阶段和平衡阶段。采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊BN-Si3N4陶瓷自身的接头组织为BN-Si3N4陶瓷/Ti B2+Ti N+Ti5Si3反应层/Ag-Cu共晶组织/Ti B2+Ti N+Ti5Si3反应层/BNSi3N4陶瓷。使用Ag-Cu-Ti钎料钎焊BN-Si3N4/AlON陶瓷接头的典型微观组织为:BN-Si3N4陶瓷/Ti N+Ti B2+Ti5Si3反应层/Ag-Cu共晶组织+Al Cu2Ti金属间化合物+Cu基固溶体/(Cu,Al)3Ti3O反应层/AlON陶瓷。钎焊温度、保温时间和钎料层厚度主要通过影响焊缝宽度、反应层厚度和接头中金属间化合物的数量来影响接头性能。随着钎焊温度的升高、保温时间的延长和钎料箔片厚度的增加,接头的抗剪强度先升高后降低。钎焊温度850℃、保温15min、钎料箔片厚度为150μm时,接头的抗剪强度最高,达到了104MPa。使用Ag-Cu-Ti钎料钎焊BN-Si3N4陶瓷与AlON陶瓷的连接过程可以分为三个阶段:a、钎料箔片熔化,液相中的活性元素Ti向两侧陶瓷母材扩散;b、Ti与BN-Si3N4陶瓷反应生成Ti N+Ti B2+Ti5Si3反应层,与AlON陶瓷反应生成(Cu,Al)3Ti3O反应层;c、冷却后,液态钎料凝固形成室温组织。
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