Ti2AlC陶瓷的釬焊機(jī)理及陶瓷穩(wěn)定性研究.pdf

1、Ti2AlC陶瓷是一種新型的導(dǎo)電陶瓷,其兼具金屬和陶瓷的很多優(yōu)良性能,有望在高溫結(jié)構(gòu)材料、電極材料、自潤滑材料等方面得到廣泛應(yīng)用。然而,由于在Ti-Al-C三元體系高溫相圖中單一的Ti2AlC相區(qū)狹窄,因此解決其連接問題顯得尤為重要。為保證接頭的導(dǎo)電性,本研究使用純Ag和Ag-Cu合金作為釬料,釬焊連接Ti2AlC陶瓷,探討了釬焊溫度、保溫時(shí)間及Ag-Cu釬料中Cu含量對(duì)接頭組織和性能的影響,得到最優(yōu)化的釬焊工藝參數(shù)和釬料成分配比。然而

2、,釬焊過程中,Ti2AlC陶瓷與釬料中Ag和Cu的交互作用會(huì)引起母材結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而影響其獨(dú)特本征性能的發(fā)揮。因此,本文利用第一性原理計(jì)算的方法,研究了釬料中Ag和Cu元素對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
　　第一性原理計(jì)算結(jié)果表明,隨著Al空位數(shù)增加,Ti2AlC的晶格參數(shù)沿a、b軸方向增大,c軸方向減小,晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降;Ag原子和Cu原子均能夠在Ti2AlC中占位,并優(yōu)先占據(jù)Al原子位置。Ag原子占位后Ti2AlC晶格參數(shù)在a、

3、b軸方向基本不變,c軸方向增大,彈性模量提高;Cu原子占位后Ti2AlC在a、b、c軸方向均有不同程度的減小,彈性模量升高。Ag和Cu在Ti2AlC中占位后均能夠弱化其附近的Ti-Al鍵,其中Cu對(duì)Ti-Al鍵的弱化作用更明顯,使Al空位形成能降低更多。此外,Ag和Cu固溶Al原子和在Ti2AlC中占位的過程均能夠?yàn)锳l空位形成提供能量,使Al空位更容易形成。與固溶和占位過程相比,金屬間化合物的形成對(duì)Ti2AlC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響更大,其中

4、生成Al4Cu9相會(huì)使Al空位形成能降低到1.9031eV。
　　使用純Ag釬焊Ti2AlC陶瓷的接頭可以分為三個(gè)區(qū)域:Ti2AlC陶瓷、交互作用區(qū)和焊縫區(qū)。在交互作用區(qū)內(nèi)釬料沿Ti2AlC陶瓷晶界分布,在釬料/Ti2AlC陶瓷界面處,Ti2AlC固溶Ag形成Ti2Al1-xC[Ag],Ag固溶Al和Ti形成Ag基固溶體,在二者界面處生成Ag3[Ti,Al]有序固溶體。隨著釬焊溫度提高,接頭剪切強(qiáng)度和電導(dǎo)率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢

5、。高溫下Ag釬料的揮發(fā)以及Ag釬料與Ti2AlC陶瓷母材間較弱的交互作用是影響使用Ag釬焊Ti2AlC陶瓷接頭性能的主要因素。
　　使用Ag-Cu釬料釬焊Ti2AlC陶瓷的接頭界面結(jié)合良好,沒有微觀的孔洞和裂紋存在。隨著釬料中Cu含量增加,接頭焊縫區(qū)寬度減小,交互作用區(qū)寬度增大,交互作用區(qū)內(nèi)被釬料剝離下的Ti2AlC陶瓷晶粒逐漸增多。當(dāng)Cu含量達(dá)到15wt.％時(shí),接頭內(nèi)開始出現(xiàn)灰色Al4Cu9相。隨Cu含量的增加,接頭電導(dǎo)率基本維

6、持不變,接頭的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨著釬焊溫度升高,保溫時(shí)間延長,焊縫寬度逐漸減小,交互作用區(qū)寬度增大,接頭內(nèi)Al4Cu9相增多。接頭的剪切強(qiáng)度隨釬焊溫度和保溫時(shí)間的增加均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。在本研究范圍內(nèi),使用Ag/Ag-Cu釬料連接Ti2AlC陶瓷的最佳工藝參數(shù)為:釬焊溫度為900℃保溫10min,當(dāng)釬料成分為Ag72Cu28時(shí),接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到目前獲得的最高值168.1MPa,達(dá)到母材剪切強(qiáng)度的93%。
　　實(shí)

7、驗(yàn)結(jié)果中接頭交互作用區(qū)內(nèi)Ti2AlC晶格參數(shù)的變化驗(yàn)證了Ag和Cu在Ti2AlC中的占位行為,而由于Cu在Ti2AlC中的溶解熱更負(fù),因此其占位傾向更大,同時(shí)Cu在Ti2AlC中遷移時(shí)具有更低的擴(kuò)散激活能。因此,實(shí)驗(yàn)中得到與釬料交互作用的Ti2AlC陶瓷中Cu含量較高,且Cu的擴(kuò)散深度較大。Al4Cu9相與Al和Cu單質(zhì)均屬于立方晶系,其在形成過程中晶體結(jié)構(gòu)變化較小,在各種Cu-Al金屬間化合物中,Al4Cu9具有最低的形成能和結(jié)合能,