ZrB2-SiC陶瓷連接接頭中原位TiB晶須生長機制及增強機理研究.pdf

1、ZrB2-SiC復合陶瓷（ZS）具有高熔點、低密度、良好的導電性/導熱性以及優(yōu)異的抗燒蝕能力，可作為高速飛行器端帽、翼尖等嚴酷環(huán)境中服役的熱結(jié)構(gòu)材料。研究 ZS陶瓷自身及其與金屬的連接將有助于制備大型或復雜構(gòu)件，對于拓寬ZS陶瓷的應用范圍具有重要意義。本文從ZS陶瓷的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，提出 TiB晶須原位增強連接法，即利用 ZrB2分解釋放出的B原子作為 B源，在接頭中制備TiB，通過控制工藝條件實現(xiàn)TiB的合理分布。實驗中對TiB增強接頭

2、進行了全面細致的表征，分析了反應機理及晶須生長機制，并借助有限元分析軟件和力學性能測試對接頭性能進行了評估。
　　本文首先建立熱力學模型，考察ZS表面原位反應的可行性。計算結(jié)果表明合金中Ti原子活度是原位反應能否進行的關(guān)鍵。在Ag-Cu-Ti體系中考察了Ti含量和反應溫度對原位反應的影響。實驗發(fā)現(xiàn)Ag-Cu-Ti液相中SiC首先分解，依次生成Ti3SiC2和Ti5Si3。當Ti含量為15wt.％、連接溫度為880℃時，在ZS界面處

3、成功制備出TiB晶須。研究表明，AgCu4Zr相的產(chǎn)生能夠加快ZrB2的分解，促進TiB的生成。采用原位反應法成功連接了ZS陶瓷和TC4合金。受Ag-Cu-Ti三元系混溶隙的影響，焊縫液態(tài)合金在850℃分離為富Ag液相和富Ti-Cu液相。富Ti-Cu液相的產(chǎn)生極大地促進了原位反應發(fā)生，接頭在880℃生成了TiB晶須陣列，接頭典型界面結(jié)構(gòu)為：ZS/TiB+Agss/Ti2Cu+AgCu4Zr/Ti2Cu+α-(Ti,Al)ss/TC4。<

4、br>　　以Ti箔為中間層連接ZS和Nb，考察固相條件下ZS界面原位反應過程。研究發(fā)現(xiàn) TiB在900℃即能產(chǎn)生，但取向無序。1000℃時 ZS附近的(Ti,Zr)ss與SiC可形成由(Ti,Zr)5Si3、(Ti,Zr)2Si和β-(Ti,Zr,Si)ss組成的連續(xù)反應層，該反應層將 Ti與ZS隔離，防止了TiB生長過于密集。垂直分布的TiB在反應層中獲得優(yōu)先生長，并在1100℃時形成TiB陣列。靠近Nb一側(cè)，Ti和Nb的互擴散形成β

5、-(Ti,Nb)ss，該相顯著改善了接頭的韌性。
　　為了實現(xiàn)接頭 XY方向的應力調(diào)節(jié)，需要晶須成三維分布并多樣化取向。實驗采用 Ti/Cu中間層連接 ZS和TC4。研究發(fā)現(xiàn) ZrB2在高 Ti活度液相中的分解速度大于SiC。TiB在ZS晶界處快速生長，并隨ZrB2的消耗解離而脫離陶瓷母材，形成三維分布。含有TiB的原位反應層可在940℃擴展至整個焊縫。但 ZrB2過量分解產(chǎn)生的金屬間化合物（IMCs）使焊縫基體嚴重脆化。為此，實

6、驗設(shè)計了Ti活度較低的Ti-Ni體系連接ZS陶瓷。當中間層采用Ti/Ni/Ti疊層箔片，連接工藝為1050℃/10min，一種垂直/平行三維分布的TiB晶須反應層在焊縫中被成功制備。接頭典型界面結(jié)構(gòu)為：ZS/TiB+(Ti,Zr)3Si+β-(Ti,Zr,Si)ss+Ti2Ni/Ti2Ni+TiNi。Ti含量較低時，焊縫經(jīng)歷瞬時液相過程，TiB相對細小，主要基體相為TiNi；Ti含量較高時，液相停留時間延長，TiB粗大，主要基體相為Ti

7、2Ni。連接溫度超過1080℃會造成TiB逆反應發(fā)生，焊縫產(chǎn)生TiB2相。
　　TiB在固相中以空位擴散機制生長。受基體隔離的影響，Ti原子更容易在靠近Ti層的晶須尖端形成占位，同時形成的B原子空位，它們沿TiB晶體[010]方向的Z型B原子共價長鏈擴散至晶須底端，此處基體中的B原子進入晶體填充空位?；诜瓶说诙捎嬎愠?B原子在晶須內(nèi)部的擴散系數(shù)為D=1.311×10-14m2/s，晶須生長隨時間的關(guān)系為x=0.891(此處公

8、式省略)。在液相中，晶體以(100)面堆垛的方式生長，沿[100]向容易形成 Bf結(jié)構(gòu)位錯。TiB在液相中的非平衡結(jié)晶易形成同取向的孿生晶須結(jié)構(gòu)。
　　采用有限元方法模擬了單根TiB晶須周圍的應力分布特點。利用細觀力學的相關(guān)理論預測TiB增強區(qū)的熱膨脹系數(shù)和模量，研究發(fā)現(xiàn)晶須方向和體積分數(shù)對接頭微區(qū)的力學性能影響較大。室溫剪切實驗表明， TiB晶須陣列增強ZS/ZS接頭比普通Ag-Cu-Ti中間層接頭提高33%，達到146MPa（