SiC基復(fù)合陶瓷與Invar合金釬焊工藝及連接機理研究.pdf

1、SiC陶瓷具有優(yōu)越的力學(xué)性能，良好熱傳導(dǎo)能力，較低的線膨脹系數(shù)以及較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性，是一種理想的高溫耐蝕材料，因此被選做乙烯裂解爐爐腔內(nèi)部裂解管的替代材料，改善裂解管的耐高溫能力以提高乙烯裂解爐的裂解效率與產(chǎn)率。在實際應(yīng)用中SiC陶瓷需要與金屬進行連接使用， Invar合金是一種典型的低膨脹合金，更容易實現(xiàn)陶瓷金屬的有效連接，因此常常被用來與陶瓷進行連接。本文首先通過NiCrSiTi釬料對SiC陶瓷與Invar

2、合金進行連接，通過實驗探索降溫速率、釬焊溫度、保溫時間等工藝參數(shù)對釬焊接頭組織及性能的影響，獲得釬焊SiC陶瓷與Invar合金的最佳工藝參數(shù)?；?NiCrSiTi釬料對母材的連接機制，設(shè)計出復(fù)合釬料緩解接頭的殘余應(yīng)力、提高接頭的力學(xué)性能，最終實現(xiàn)SiC陶瓷與Invar合金的有效連接。
　　采用NiCrSi-0Ti釬料進行SiC陶瓷和Invar合金進行釬焊連接實驗時，釬焊構(gòu)件的典型接頭結(jié)構(gòu)為SiC陶瓷/Ni+Fe3Si+CrSi2

3、/CrSi2+[Fe,Ni]+Ni3Si2+Ni3Fe/Fe2Si+FeNi/Invar合金。通過實驗發(fā)現(xiàn)釬焊工藝參數(shù)對釬焊構(gòu)件的組織及性能有重要影響。首先降溫速率快時接頭殘留較大的殘余應(yīng)力，接頭性能較差，降溫速率較慢時，接頭性能得到提高；其次隨著釬焊溫度的升高使釬焊接頭組織發(fā)生明顯變化，接頭組織先由疏松變致密，后又因溫度較高導(dǎo)致陶瓷側(cè)反應(yīng)區(qū)變厚，殘余應(yīng)力增加，性能降低；保溫時間對接頭組織和性能的影響與釬焊溫度類似，隨著保溫時間的延長，

4、接頭剪切強度先提高后降低。通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，當使用NiCrSi-0Ti釬料進行釬焊實驗時，最佳工藝參數(shù)為：釬焊溫度1180℃、保溫時間15min，此時獲得的接頭剪切性能為36MPa。
　　在前述實驗基礎(chǔ)上進一步探索Ti含量對接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)當釬料中加入Ti時，釬焊接頭性能先提高后降低，當釬料中Ti含量為5wt％時，接頭強度達到最大值46.7MPa，通過分析發(fā)現(xiàn)Ti加入后陶瓷側(cè)發(fā)生Fe+TiFe2Ti，避免了脆性相Fe3S

5、i和C的存在，減緩了陶瓷測反應(yīng)層的應(yīng)力及微裂紋產(chǎn)生的概率。
　　對焊縫中生成的產(chǎn)物（Fe3Si、CrSi2、Fe2Ti、[Fe,Ni]、Ni3Si2等）進行了熱力學(xué)與動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)物是可以形成的。在實驗中通過XRD、EDS、SEM等測試方法證明了這些物質(zhì)的存在。采用NiCrSiTi釬料連接SiC陶瓷與Invar合金的機理為：隨著釬焊溫度的升高，釬料逐漸熔化，熔化的釬料開始與接觸的SiC陶瓷發(fā)生反應(yīng)，釬料中的Ni元素與陶瓷中

6、的Si發(fā)生反應(yīng)生成Ni3Si，同時金屬一側(cè)熔化的Invar合金與釬料中的元素發(fā)生反應(yīng)生成Fe3Si相、FeNi相，中間反應(yīng)區(qū)含有多種元素發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，生成[Fe,Ni]、等化合物。
　　為了進一步提高接頭的性能，設(shè)計出含有SiC顆粒的復(fù)合釬料NiCrSiTi（SiC），通過實驗發(fā)現(xiàn)加入SiC顆粒的復(fù)合釬料能夠減小陶瓷側(cè)反應(yīng)層的厚度，減緩接頭處的殘余應(yīng)力，提高釬焊構(gòu)件的剪切強度。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)釬料中的SiC優(yōu)先與Ni反應(yīng)，緩解了