SiO2-BN陶瓷與Invar合金釬焊中間層設(shè)計(jì)及界面結(jié)構(gòu)形成機(jī)理.pdf

1、SiO2-BN陶瓷是以SiO2陶瓷和BN陶瓷為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代導(dǎo)彈天線罩材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同強(qiáng)化作用,具有較好的力學(xué)和介電性能、優(yōu)越的抗熱震性能以及良好的抗燒蝕性能。在天線罩的實(shí)際裝配應(yīng)用過程中,陶瓷天線罩需要與金屬環(huán)進(jìn)行可靠連接。Invar合金在室溫范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)較低,成為國內(nèi)外金屬連接環(huán)的常用材料。為了解決膠接方法的耐熱性差和易老化問題以及消除機(jī)械連接帶來的附加重量,本文采用活性釬焊方法實(shí)現(xiàn)SiO2-BN陶瓷與Invar合

2、金的可靠連接,基于液態(tài)釬料與母材相互作用過程中的界面特征,通過中間層體系優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對釬焊接頭界面組織的控制以及力學(xué)性能的提高。
　　設(shè)計(jì)了兩種界面反應(yīng)模式,采用FIB制樣和HRTEM表征方法研究了釬料與SiO2-BN陶瓷的界面反應(yīng)。通過在Ag-Cu共晶合金塊上放置Ti箔的試驗(yàn)方法研究了液態(tài)Ag-Cu/Ti釬料在SiO2-BN陶瓷表面的潤濕鋪展行為,揭示了活性元素Ti在反應(yīng)潤濕體系中的作用。研究結(jié)果表明,AgCu-Ti/SiO2-

3、BN體系的潤濕性取決于SiO2-BN陶瓷界面TiN-TiB2反應(yīng)層的形成;液態(tài)釬料中的Ti含量和溫度對體系潤濕性的影響不明顯;陶瓷表面形態(tài)僅影響接觸角開始降低階段的速率。采用電子束蒸鍍輔助釬焊的方法研究了SiO2-BN陶瓷自身釬焊過程中的界面特征。釬焊過程中,Ti鍍層快速向液態(tài)Ag-Cu釬料中溶解擴(kuò)散直至形成均勻體系。液態(tài)釬料中的活性元素Ti在化學(xué)勢差驅(qū)動(dòng)力作用下向SiO2-BN陶瓷聚集形成富Ti層。富Ti層與陶瓷反應(yīng)形成TiN-TiB

4、2納米晶反應(yīng)層;并與Cu反應(yīng)形成不連續(xù)的帶狀Ti-Cu化合物。從熱力學(xué)角度討論了潤濕鋪展以及自身釬焊兩種界面反應(yīng)模式下,活性元素Ti與SiO2-BN陶瓷的界面反應(yīng)機(jī)制,即解明了厚度為150-200nm的TiN-TiB2納米晶反應(yīng)層的形成過程。
　　采用Ag-Cu/Ti活性釬料分析了Invar/SiO2-BN體系的釬焊性,闡明了Ti含量、工藝參數(shù)對接頭界面組織和性能的影響。Ti含量和工藝參數(shù)影響陶瓷界面反應(yīng)區(qū)域的厚度以及Fe2Ti-

5、Ni3Ti脆性化合物的形成和分布。當(dāng)Ti含量為4.5wt.％時(shí),在釬焊溫度880℃,保溫10min條件下接頭的平均抗剪強(qiáng)度最大為32MPa,并且接頭的抗剪強(qiáng)度隨著工藝參數(shù)的改變急劇降低。兩種母材固有的熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及釬焊接頭中脆性化合物的形成都弱化接頭性能。
　　為了調(diào)節(jié)中間層組織的熱膨脹系數(shù),緩解接頭的殘余應(yīng)力,采用機(jī)械球磨法制備h-BN顆粒增強(qiáng)的Ag-Cu-Ti+BN復(fù)合釬料中間層體系,通過原位反應(yīng)釬焊Inva

6、r合金和SiO2-BN陶瓷。使用優(yōu)化的復(fù)合釬料中間層釬焊Invar/SiO2-BN體系,h-BN顆粒完全與活性元素Ti反應(yīng)形成TiB晶須和TiN顆粒聯(lián)合增強(qiáng)的接頭;Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制,接頭的平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到39MPa。綜合考慮釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)、連接體系熱膨脹系數(shù)的匹配性以及中間層組織的塑性變形能力三方面因素,討論了釬焊接頭的強(qiáng)化機(jī)制。
　　基于Invar合金向液態(tài)釬料中的溶解機(jī)制,設(shè)計(jì)并采用

7、Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti軟性復(fù)合中間層釬焊Invar合金與SiO2-BN陶瓷,實(shí)現(xiàn)Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并緩解接頭的殘余應(yīng)力。研究了Cu中間層厚度對Invar/SiO2-BN釬焊接頭界面組織和性能的影響,使用軟性復(fù)合中間層獲得的接頭強(qiáng)度高于僅使用Ag-Cu-Ti釬料的釬焊接頭,當(dāng)Cu中間層的厚度為100μm時(shí),接頭的抗剪強(qiáng)度最大為43MPa。從釬焊過程中的反應(yīng)次序以及Cu中間層的阻隔作用兩方面揭示了接頭中Fe2

8、Ti+Ni3Ti脆性化合物的抑制機(jī)制。結(jié)合顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料和軟性復(fù)合中間層兩方面的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti+BN軟性-梯度中間層釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷。釬焊接頭組織既實(shí)現(xiàn)對Fe2Ti+Ni3Ti脆性化合物的完全抑制,又實(shí)現(xiàn)對陶瓷側(cè)熱膨脹系數(shù)的調(diào)節(jié)。
　　采用有限元模擬方法評價(jià)三種中間層體系釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接頭的殘余應(yīng)力大小和分布。結(jié)果表明,三種中間層體系獲得釬焊接頭的最大殘