Zr-Ni钎料钎焊ZrB2-SiC复合陶瓷与Nb合金的工艺与机理研究

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超高温陶瓷(UHTCs)由于其熔点高、硬度高、高温化学性能稳定等特点备受人们关注,而ZrB2-SiC超高温陶瓷更是以其独特的高温稳定性、高电导率与热导率、高强度和高耐腐蚀性受到学者的广泛研究。但由于陶瓷的塑性差及本征脆性限制其应用,而金属强塑性可以弥补陶瓷应用的缺陷,因此实现陶瓷与金属的可靠连接是扩大其应用领域的关键。本研究采用Zr-Ni钎料对ZrB2-SiC复合陶瓷与Nb合金进行钎焊连接,探究了钎焊温度、保温时间以及钎料厚度对接头组织和力学性能的影响,对其连接机理进行分析,并对接头内部的残余应力进行了模拟分析及控制。结果表明,接头典型结构为ZrB2-SiC/Nb C+Zr C+Zr2Si+ZrB2/Zr2Ni+(Zr,Nb)2Ni/(Zr,Nb)/Nb,靠近陶瓷侧形成界面反应层,靠近Nb一侧形成扩散层。随着钎焊温度升高、保温时间延长,Nb向焊缝内溶解扩散量增多,焊缝的宽度逐渐变厚;焊缝的宽度也随着钎料厚度的增加而增加。ZrB2-SiC/Nb钎焊接头的力学性能随着钎焊温度升高、保温时间延长以及钎料厚度增加均呈现先升高后降低的趋势。在钎焊温度为1090℃、保温20min、钎料厚度为400μm时,接头的抗剪切性能最高,为95MPa。ZrB2-SiC/Nb钎焊接头的连接机理为当温度达到钎料熔点后,钎料开始熔化,钎料中的Zr与母材中的Si C反应,在陶瓷界面处生成化合物Zr2Si和Zr C,Nb元素由于浓度梯度不断向陶瓷侧扩散,冷却凝固后,在陶瓷一侧形成主要由Nb C、和Zr C组成的反应层;在金属一侧形成(Zr,Nb)扩散层;在焊缝中间位置形成由(Zr,Nb)2Ni和Zr2Ni化合物组成的焊缝中间层,最后形成稳定接头。通过有限元模拟软件Abaqus对ZrB2-SiC/Nb连接体系建模,并对冷却后接头的应力分布及调控进行模拟。随着钎料厚度的增加,陶瓷一侧应力会逐渐降低,棱边最大应力从钎料厚度为60μm的298MPa降到80μm的283MPa,但当钎料厚度增加到90μm后,钎料厚度变化对陶瓷一侧应力影响减弱,应力只降低了2MPa;陶瓷一侧的应力随着反应层厚度的增加而逐渐变小,棱边最大应力水平从反应层厚度10μm的296MPa降到40μm的275MPa。为进一步调控ZrB2-SiC/Nb接头的残余应力,在钎料层中设计添加了低膨胀中间层Mo,通过接头残余应力分析发现,Mo中间层不仅降低了陶瓷一侧的应力水平,而且改善了陶瓷一侧应力的分布状态。当Mo中间层厚度增加至200μm时,陶瓷棱边最大残余应力由283MPa降至252MPa,最大应力水平降幅达7%。
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