【摘 要】
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Si3N4陶瓷具有良好的透波性、抗腐蚀性及抗氧化性,但其本征脆性大,难以进行切削加工。(Ti B+Y2O3)/Ti基复合材料比强度与比刚度高,高温力学性能优异,将Si3N4陶瓷与(Ti B+Y2O3)/Ti基复合材料连接可以实现两种材料的优势互补,扩大材料应用范围。在众多材料连接方法中,钎焊工艺简单,接头尺寸与形状适应性高,是陶瓷与金属连接最常用的方法之一。为实现Si3N4陶瓷与(Ti B+Y2O
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Si3N4陶瓷具有良好的透波性、抗腐蚀性及抗氧化性,但其本征脆性大,难以进行切削加工。(Ti B+Y2O3)/Ti基复合材料比强度与比刚度高,高温力学性能优异,将Si3N4陶瓷与(Ti B+Y2O3)/Ti基复合材料连接可以实现两种材料的优势互补,扩大材料应用范围。在众多材料连接方法中,钎焊工艺简单,接头尺寸与形状适应性高,是陶瓷与金属连接最常用的方法之一。为实现Si3N4陶瓷与(Ti B+Y2O3)/Ti基复合材料的高质量连接,本文采用在钎料中夹入多孔金属泡沫Cu形成的Ag Cu/Cu foam/Ag Cu复合钎料对其进行了钎焊连接,借助SEM、EDS和XRD等分析方法对接头中的界面反应与物相组成进行了分析,优化了钎焊工艺参数,探究了接头的形成机理,并采用有限元模拟的方法对接头中的残余应力分布进行了分析。使用Ag Cu/Cu foam/Ag Cu复合钎料钎焊后得到了连接良好的TMC/Si3N4接头,在800℃/20min的工艺参数下,其界面结构为:TMC/Ti Cu+Ti Cu2/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Ti Cu+Ti5Si3+Ti N/Si3N4。通过改变钎焊温度及钎焊时间实现了对TMC/Si3N4钎焊接头的组织调控,研究发现当钎焊温度增加或钎焊时间延长时,Si3N4陶瓷侧所形成的Ti N+Ti5Si3反应层的厚度随之增加,并且符合由扩散控制的抛物线规律,通过热力学和动力学计算得到了该反应层的成长动力学方程。但过高的钎焊温度与钎焊时间导致母材溶解过度,较多的Ti溶解在液态钎料中,接头中的冶金反应加剧,导致形成的Ti-Cu金属间化合物的数量增多,对接头力学性能产生不利影响。为了进一步改善接头的力学性能,对钎焊工艺参数进行了优化,结果表明,当钎焊时间固定在20min时,在820℃的钎焊温度下钎焊后TMC/Si3N4接头的剪切强度能达到165.0MPa,在此基础上对钎焊时间进行优化后,得到最优钎焊工艺为820℃/10min,TMC/Si3N4接头的剪切强度达到最高,约为180.4MPa。Si3N4陶瓷与TMC的连接机理为:在TMC与Si3N4陶瓷的钎焊过程中,Ag Cu钎料最先熔化,随后液态钎料填充泡沫Cu的孔隙,并且润湿泡沫Cu与母材。TMC中的Ti溶解到液态钎料中后向Si3N4陶瓷扩散并反应,形成了均匀连续的Ti N反应层,释放出的Si与Ti反应后形成了颗粒状的Ti5Si3,作为形核质点促进了Ti Cu在Ti N层表面形成。液态钎料中的Cu也会与Ti反应生成少量脆性Ti-Cu金属间化合物。在TMC侧,Ti的含量较高,与液态钎料中的Cu反应形成了Ti-Cu化合物层,由此形成了Si3N4陶瓷与钛基复合材料的连接。由于陶瓷与金属的热膨胀系数差异较大,在接头中会引起残余应力,是导致陶瓷/金属钎焊接头质量低的重要原因。采用有限元模拟的方法对TMC/Si3N4接头中的残余应力进行了分析,结果表明:残余应力主要集中在Si3N4陶瓷中,并且在钎缝附近区域应力水平较高。泡沫Cu的加入使得钎缝的塑性变形能力更强,有效缓解了接头中的残余应力,并且使残余应力峰值向钎缝中移动,降低了Si3N4陶瓷在应力集中处发生失效的风险。
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