TiC金屬陶瓷與304不銹鋼的連接工藝及相關(guān)理論研究.pdf

1、TiC金屬陶瓷具有高硬度、高耐磨、耐高溫、抗氧化等特性，從而得到了普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。但 TiC金屬陶瓷的耐沖擊性低、機(jī)械加工性差，極大限制了它的應(yīng)用。將其與其他金屬材料(如鋼)連接成復(fù)合構(gòu)件將進(jìn)一步擴(kuò)大其在工程中的應(yīng)用范圍。但 TiC金屬陶瓷與金屬的物理、化學(xué)、力學(xué)性能差異極大，很難得到理想的連接界面，且接頭中容易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和較多的連接缺陷。因此，研究TiC金屬陶瓷與金屬的連接具有重要的實(shí)際意義。本文針對 TiC金屬陶瓷與鋼的

2、連接問題，開展了TiC金屬陶瓷/304不銹鋼(304SS)的釬焊、固相擴(kuò)散連接與部分瞬間液相連接研究工作。
　　目前，陶瓷與金屬的焊接或連接多采用 Ag-Cu基合金作為填充層，其中貴金屬Ag的含量大多大于50％，導(dǎo)致連接成本高，不便于工業(yè)生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用。另外，多數(shù)Ag-Cu基釬料連接的接頭服役溫度較低，大約500℃甚至低于500℃，使陶瓷在高溫結(jié)構(gòu)件上的使用受到限制。因此，有待開發(fā)新型低成本、高性能的釬料。
　　以Cu作為活

3、性釬料的基礎(chǔ)成分，依據(jù)鍵參數(shù)理論與吉布斯自由能的計(jì)算，選擇添加Ni、Mn和Nb元素作為Cu基活性釬料的組元，對TiC金屬陶瓷與304SS進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)。通過SEM、EDS和XRD等方法，研究了活性元素Nb的含量、工藝參數(shù)對TiC/CuNiMnNb/304SS釬焊界面微觀結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，活性元素Nb與TiC發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有一定金屬性和陶瓷性的NbxCy化合物，對界面的物理化學(xué)性質(zhì)起到了過渡作用,界面結(jié)構(gòu)為304SS/

4、σ/Cus.s/Nb6C5/Nb2C/αTi/TiC，揭示了CuNiMnNb合金釬料釬焊TiC/304SS的界面形成機(jī)制。Nb的含量、釬焊溫度和保溫時(shí)間直接影響界面結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)Nb含量8wt%、釬焊溫度1170℃、保溫時(shí)間15min時(shí)，TiC/Cu52Ni32Mn8Nb8/304SS接頭的剪切強(qiáng)度高達(dá)92.5MPa。
　　釬焊接頭的服役溫度一般在釬料熔化溫度以下，受釬料的熔點(diǎn)限制，而固相擴(kuò)散連接接頭相比釬焊接頭，其服役溫度受中間層

5、熔點(diǎn)的影響較小，所以廣受關(guān)注。固相擴(kuò)散連接中，由于TiC金屬陶瓷與304SS的熱膨脹系數(shù)差別很大，在接合面附近將形成高的殘余應(yīng)力，降低這種殘余應(yīng)力的中間層選擇是實(shí)現(xiàn)可靠連接的關(guān)鍵。采用 Ti-Nb-Cu中間層，在連接溫度925℃、保溫時(shí)間20min、連接壓力8MPa條件下，固相擴(kuò)散連接的TiC/304SS接頭的平均剪切強(qiáng)度為84.6MPa。剪切斷裂發(fā)生在近 TiC/Ti連接界面的 TiC金屬陶瓷內(nèi)部。分析發(fā)現(xiàn)，TiC金屬陶瓷與中間層Ti

6、之間形成連續(xù)的Ti原子過渡。Nb與Ti無限固溶，并且Nb的線膨脹系數(shù)與TiC金屬陶瓷極為接近，在接頭中可形成應(yīng)力緩沖區(qū)。Cu延展性很好，并且與304SS中的Fe、Cr等元素反應(yīng)不生成金屬間化合物，有利于接頭性能的提高。
　　TiC/Ti-Nb-Cu/304SS恒壓固相擴(kuò)散連接的時(shí)間長、壓力大，在此基礎(chǔ)上為了促進(jìn)原子間的互擴(kuò)散，縮短連接時(shí)間，而引入了脈沖加壓技術(shù)。試驗(yàn)將中間層調(diào)整為Ti-Nb，連接溫度降低至890℃，保溫時(shí)間縮短至4

7、~16min，對TiC/304SS進(jìn)行恒壓(10MPa)與脈沖加壓(2~10MPa)擴(kuò)散連接對比實(shí)驗(yàn)。通過對接頭中原子擴(kuò)散系數(shù)的理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，脈沖壓力確實(shí)有效的提高了原子的擴(kuò)散速度。當(dāng)保溫時(shí)間僅為10min時(shí)，接頭的平均剪切強(qiáng)度已高達(dá)110 MPa，說明采用脈沖加壓擴(kuò)散連接技術(shù)不僅大幅度提高了連接效率，而且提高了連接接頭的力學(xué)性能。該接頭的斷口呈混合型斷裂的特征，即裂紋沿著 TiC金屬陶瓷與界面反應(yīng)區(qū)間交替擴(kuò)展，這種斷裂方式消耗的能量更

8、多，對應(yīng)的接頭強(qiáng)度更高，從而揭示了脈沖壓力對接頭性能的影響規(guī)律。
　　固相擴(kuò)散連接工藝對待焊母材端面的粗糙度要求很高，而部分瞬間液相連接(PTLP)克服了這些缺點(diǎn)，并一定程度上綜合了釬焊與固相擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)。采用Ti-Cu-Nb金屬中間層，對TiC金屬陶瓷與304SS進(jìn)行了 PTLP連接試驗(yàn)。在TiC金屬陶瓷一側(cè)，Ti-Cu層在高于共晶點(diǎn)的連接溫度下熔化，與TiC金屬陶瓷、核心金屬層Nb產(chǎn)生界面反應(yīng)；而在304SS一側(cè)，Nb與30

9、4SS進(jìn)行固相擴(kuò)散，以形成具有固相擴(kuò)散特征的連接結(jié)構(gòu)。在連接溫度890℃、保溫時(shí)間10min、連接壓力10MPa條件下，TiC/Ti-Cu-Nb/304SS接頭剪切強(qiáng)度最高達(dá)106.7MPa，界面結(jié)構(gòu)為304SS/σ/Nb/CuTi/CuTi2/αTi/TiC。通過 Ti-Cu化合物形成規(guī)律的理論計(jì)算，以及對PTLP工藝參數(shù)的優(yōu)化，為界面產(chǎn)物的生長控制提供理論依據(jù)。
　　通過上述研究表明，選擇合適的連接工藝可以實(shí)現(xiàn)TiC金屬陶瓷與