SiC陶瓷與金屬W的連接及工藝研究.pdf

1、SiC陶瓷材料化學(xué)性能穩(wěn)定，力學(xué)性能高，耐磨性好，是制造汽車和航天器發(fā)動機零部件等高溫結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵材料。但SiC陶瓷的高脆性，低延展性，使其難以變形及切削加工，只有通過連接技術(shù)與其它材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來獲得形狀復(fù)雜的零部件，才能充分發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢，而就目前的工業(yè)發(fā)展來看，SiC陶瓷與金屬的連接具有很大的發(fā)展前景。實現(xiàn)SiC陶瓷與金屬的可靠連接對于今后開發(fā)新型耐高溫、抗氧化結(jié)構(gòu)件具有重要的意義。
　　 放電等離子技術(shù)已問世幾十年

2、，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，在納米材料、梯度功能材料、金屬材料、復(fù)合材料、陶瓷材料的燒結(jié)制備，在多層金屬粉末的同步連接、陶瓷粉末和金屬粉末的連接以及固體-粉末-固體的連接等領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。擴散連接作為材料連接中比較常用的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于多種材料體系：金屬/金屬、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等。就目前而言，擴散連接多用于輻射加熱，在連接中，試樣整體溫度分布均勻，這也就限制了擴散連接的使用溫度范圍。
　　 本文采用放電等離子熱加工技

3、術(shù)作為擴散連接的熱源來連接SiC陶瓷/金屬，電流通過樣品本身，通過電阻的焦耳熱效應(yīng)和輻射加熱來進(jìn)行連接，同時使得在試樣界面處具有較高的溫度，基體處承受較低的溫度，降低對基體的損傷，迅速實現(xiàn)異種材料的連接。此外，本文采取直接連接和添加中間層物料兩種方式，探討中間層物料對連接體的影響，對連接體得顯微結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行分析，并探討了最佳工藝制度的確定。
　　 SiC陶瓷/金屬W的直接連接中，研究了不同溫度下連接體的界面情況，并對界面進(jìn)行

4、能譜分析得出：連接體的界面平直緊密、Si、C、W元素在界面兩側(cè)發(fā)生了互擴散。在連接界面處主要生成W的碳化物WCx和硅化物W5Si3，以及SiC。在斷開的金屬W基體材料中接頭區(qū)域布滿韌窩，顆粒間緊密結(jié)合。同時由W基片上穿晶斷裂說明在接頭內(nèi)部存在了較大的殘余熱應(yīng)力。對SiC陶瓷/W金屬連接體進(jìn)行溫度.應(yīng)力模擬計算，在連接部位、靠近試樣外表面的微小區(qū)域應(yīng)力分布比較密集；W層承受徑向拉應(yīng)力，SiC層承受徑向壓應(yīng)力，界面附近為高應(yīng)力區(qū)。W層中的應(yīng)

5、力明顯的大于SiC層中的應(yīng)力，在W層中從中心軸沿縱向向外表面延伸時，應(yīng)力值越來越大，而SiC層從中心軸沿縱向向外表面延伸應(yīng)力值越來越小。
　　 在SiC陶瓷/中間層物料/金屬W連接中，采用四種不同含量的中間層物料Si+C+10wt％W、Si+C+30wt％W、Si+C+50wt％W、Si+C+70wt％W。對Si+C+50wt％W的中間層分析可知，在溫度低于1400℃時，反應(yīng)不完全，在中間層中W含量低于50wt％時，也存在未反應(yīng)

6、的Si、C粉，W含量高于50wt％時生成物為：SiC、WSi2。對連接體材料進(jìn)行能譜分析可知，在接頭的界面處均發(fā)生不同程度的元素擴散。中間層成分相同，溫度不同時，界面顯微情況不同，高于1400℃時在界面處W金屬中出現(xiàn)孔洞，界面孔洞隨著中間層中W元素的含量的增加而變寬。保溫時間過短不利于界面的充分反應(yīng)和元素擴散，同時易產(chǎn)生不穩(wěn)定的過渡相W5Si3；升溫速率過快過慢均不利于接頭的形成。中間層中硬度低于兩側(cè)基體材料，連接溫度對連接件的抗彎強度