Al基釬料釬焊Ti2AlC陶瓷的連接工藝及機(jī)理研究.pdf

1、Ti2AlC作為211型 MAX相陶瓷材料的典型代表，由于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)使得 Ti2AlC具有陶瓷和金屬優(yōu)異的特征，如抗熱震性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等，這些優(yōu)良的性能使得該材料在工程上具有諸多潛在的應(yīng)用價(jià)值。探索Ti2AlC陶瓷自身連接理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Ti2AlC陶瓷的連接將極大的拓展該陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域，并為實(shí)現(xiàn)低成本制備 Ti2AlC陶瓷構(gòu)件奠定基礎(chǔ)。本文首次采用Al基含Si釬料釬焊Ti2AlC陶瓷，探究了釬料成分、釬焊工藝對(duì)接頭組織與性能

2、的影響，揭示了接頭組織形成機(jī)理，闡述了Al、Si元素對(duì)Ti2AlC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，分析了接頭剪切斷裂行為。
　　使用Al基釬料連接Ti2 AlC陶瓷，研究了釬料成分、工藝參數(shù)對(duì)接頭組織、剪切強(qiáng)度、電導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明，接頭典型結(jié)構(gòu)為：Ti2AlC/交互作用區(qū)/反應(yīng)層/剩余釬料層/反應(yīng)層/交互作用區(qū)/T i2 AlC的對(duì)稱(chēng)層結(jié)構(gòu)。其中，采用純Al釬料釬焊Ti2AlC母材時(shí)，接頭中形成TiAl3生成相，釬焊溫度和保溫時(shí)間主要影

3、響接頭中 TiA l3的形態(tài)、數(shù)量和分布，隨著釬焊溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TiA l3由顆粒狀長(zhǎng)大為棒狀，數(shù)量增多，并可以貫穿整個(gè)焊縫，接頭的剪切強(qiáng)度先增大后減小。最佳工藝參數(shù)為：釬料層厚度150μm，在850℃時(shí)保溫10min，接頭剪切強(qiáng)度為94MPa，約為母材強(qiáng)度的52％，同時(shí)接頭電導(dǎo)率為3.87×106S/m，約為母材電導(dǎo)率的97%。合金元素Si的加入，一方面起到了固溶強(qiáng)化的效果；另一方面可以降低釬料熔點(diǎn)，從而降低釬焊溫度。本

4、文研究了亞共晶、共晶和過(guò)共晶Al-Si合金釬焊Ti2AlC得到的接頭組織和性能，接頭的結(jié)構(gòu)為：Ti2AlC/Ti2Al(Si)C+Ti-Al-Si化合物/反應(yīng)層/Ti(AlSi)3/Al(s,s)，當(dāng)采用Al-6Si釬焊Ti2AlC時(shí)得到的接頭剪切強(qiáng)度高于純Al釬料，其最大剪切強(qiáng)度為108MPa，提高了8%，而釬焊溫度為710℃，比使用純Al釬料降低了140℃，電導(dǎo)率達(dá)到母材的電導(dǎo)率的92.9%。
　　Ti2AlC-Ti2AlC接

5、頭的連接機(jī)理：隨著釬焊溫度的升高，釬料熔化，液態(tài)釬料與母材充分接觸，Al、Si元素向兩側(cè)母材擴(kuò)散，擴(kuò)散路徑為晶界和晶內(nèi)擴(kuò)散。從SEM、EDS及XRD多種分析方法證實(shí)了Si元素固溶于母材和焊縫各區(qū)域中。在陶瓷和釬料界面處，釬料元素與母材發(fā)生反應(yīng)：無(wú) Si元素時(shí)，較高釬焊溫度條件下，Al與母材發(fā)生反應(yīng)，最終生成 TiC和TiAl3；Si元素的加入，使得界面處母材與Al、Si反應(yīng)生成Al4C3和Ti(AlSi)3，出現(xiàn)反應(yīng)層和連續(xù)金屬間化合物

6、層；當(dāng)Si元素的含量升高時(shí)，除Ti(AlSi)3相外還有針狀Ti(AlSi)2相生成。在近焊縫母材區(qū)域，Si元素既沿晶界擴(kuò)散，在晶界處形成“油滴狀”Ti-Al-Si化合物，弱化了母材晶界強(qiáng)度，又向Ti2AlC母材內(nèi)部擴(kuò)散，形成Ti2Al(Si)C固溶體，從而形成了交互作用區(qū)，并且隨著Si含量的增大，該區(qū)域?qū)挾仍黾印?br>　　分析認(rèn)為，Ti2AlC-Ti2AlC接頭的強(qiáng)度與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從接頭的斷裂機(jī)制中可以看出不同的釬焊工藝條件