ZrC-SiC陶瓷與Nb瞬時液相擴散連接工藝及界面反應機理.pdf

1、ZrC-SiC復合陶瓷是在 ZrC陶瓷的基礎上添加第二相 SiC發(fā)展起來的新一代超高溫結構陶瓷，具有優(yōu)越的熱物理性能和機械性能。ZrC-SiC復合陶瓷優(yōu)異的綜合性能使其廣泛適用于極端化學環(huán)境以及熱環(huán)境中，可作為高超音速飛行器機頭錐帽、機翼前緣及蓋板等部位的熱防護材料。由于陶瓷材料的本征脆性以及制備技術的限制，難以獲得大尺寸、形狀復雜的陶瓷構件，因此，實現(xiàn)陶瓷自身及與金屬材料的可靠連接是其獲得廣泛應用的關鍵。本文采用 Ti-Ni復合中間層

2、對ZrC-SiC復合陶瓷與高溫金屬 Nb進行了瞬時液相擴散連接，基于 Ti-Ni液相與ZrC-SiC復合陶瓷的界面反應特征，通過中間層成分的優(yōu)化實現(xiàn)了對界面反應的有效控制，并通過低膨脹中間層 Mo的設計緩解了ZrC-SiC/Nb異種材料連接接頭的殘余應力、提高了接頭的力學性能。
　　通過調整Ti-Ni中間層的成分研究了Ti-Ni液相與ZrC-SiC復合陶瓷的界面反應特征，基于熱力學計算以及TEM、HRTEM和SAED等表征方法分析

3、了Ti、Ni兩種元素與ZrC-SiC復合陶瓷的界面反應機理。采用富Ti的Ti-Ni中間層連接ZrC-SiC時，活性元素Ti與復合陶瓷的界面反應實質是形成TiC界面層的過程，反應產物Si、Zr原子固溶于TiC反應層以及Ti-Ni化合物中。采用熱力學計算方法分析了Ti與SiC、ZrC之間的反應機制，即闡明了TiC反應層的形成過程。采用富Ni的Ti-Ni中間層連接ZrC-SiC時，界面反應以Ni/SiC反應為主。此時，Ni與復合陶瓷中的SiC

4、發(fā)生劇烈的反應，其反應產物為 Ni2Si和C，活性元素Ti在界面附近與中間產物C反應形成顆粒狀的TiC。Ni與ZrC-SiC之間劇烈的界面反應破壞了陶瓷材料自身的組織，部分反應產物C最終轉變?yōu)槠瑢訝畹氖?，使接頭的性能急劇下降。
　　采用熱力學計算方法分析了Ti-Ni體系中原子活度與成分的對應關系，揭示了中間層成分變化與Ti-Ni/ZrC-SiC界面反應轉變之間的內在關聯(lián)。隨著中間層成分的變化，Ti-Ni與ZrC-SiC發(fā)生兩類典

5、型的界面反應，分別為活性元素Ti與ZrC-SiC的反應以及Ni與ZrC-SiC之間的反應。研究結果表明，當Ti-Ni液相中Ni元素的含量小于40at.％時，Ni原子的活度接近于零，而Ti原子呈現(xiàn)高活性，界面反應為活性元素Ti與ZrC-SiC之間的反應，形成連續(xù)的TiC反應層；Ni元素含量位于40~60at.%范圍內時，Ti、Ni均呈現(xiàn)低活性，Ni參與界面反應的臨界摩爾分數(shù)為0.52。當 Ni的含量大于52at.%時，Ti與陶瓷母材的界面

6、反應程度逐漸減弱，而Ni參與界面反應的程度逐漸增加；當Ni元素含量大于60at.%時，Ti原子的活性趨近于零，而 Ni的活性呈指數(shù)形式增長。此時，界面反應前沿完全轉變?yōu)镹i與ZrC-SiC之間的反應，其反應產物為Ni2Si和C。液相中Ti、Ni原子活性的規(guī)律性變化是界面反應轉變的本質因素。
　　基于熱力學分析結果，結合界面組織分析以及力學性能測試對Ti-Ni中間層體系的成分及相應的連接工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。采用 Ti-40Ni實現(xiàn)了

7、與ZrC-SiC復合陶瓷之間的充分反應。在連接溫度為1150℃、保溫10min條件下，接頭的典型界面結構為：ZrC-SiC/TiC/Ti2Ni+TiNi+TiNi3+TiC/TiC/ZrC-SiC。連接接頭的剪切強度達到172MPa。在ZrC-SiC/Nb異種材料連接中，Nb向Ti-Ni液相中的溶解形成 Ti元素的梯度分布，降低了陶瓷表面 Ti原子的活性。試驗結果表明：Ti-32Ni可實現(xiàn)ZrC-SiC復合陶瓷與金屬Nb的可靠連接。通過

8、界面組織分析、工藝參數(shù)優(yōu)化建立了工藝、組織與性能之間的關聯(lián)。在溫度為1050℃、保溫10min條件下，ZrC-SiC/Ti-32Ni/Nb連接接頭的室溫及800℃高溫剪切強度分別達到141MPa和82MPa。
　　設計了低膨脹中間層Mo調節(jié)ZrC-SiC/Nb連接接頭的殘余應力，采用有限元模擬方法分析了Mo中間層對接頭殘余應力大小和分布狀態(tài)的影響規(guī)律，并采用剪切強度評價了ZrC-SiC/Mo/Nb連接接頭的力學性能。有限元模擬結果