SiO2-BN陶瓷與Invar合金釬焊中間層設計及界面結構形成機理.pdf

1、SiO2-BN陶瓷是以SiO2陶瓷和BN陶瓷為基礎發(fā)展起來的新一代導彈天線罩材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同強化作用,具有較好的力學和介電性能、優(yōu)越的抗熱震性能以及良好的抗燒蝕性能。在天線罩的實際裝配應用過程中,陶瓷天線罩需要與金屬環(huán)進行可靠連接。Invar合金在室溫范圍內的熱膨脹系數(shù)較低,成為國內外金屬連接環(huán)的常用材料。為了解決膠接方法的耐熱性差和易老化問題以及消除機械連接帶來的附加重量,本文采用活性釬焊方法實現(xiàn)SiO2-BN陶瓷與Invar合

2、金的可靠連接,基于液態(tài)釬料與母材相互作用過程中的界面特征,通過中間層體系優(yōu)化設計實現(xiàn)對釬焊接頭界面組織的控制以及力學性能的提高。
　　設計了兩種界面反應模式,采用FIB制樣和HRTEM表征方法研究了釬料與SiO2-BN陶瓷的界面反應。通過在Ag-Cu共晶合金塊上放置Ti箔的試驗方法研究了液態(tài)Ag-Cu/Ti釬料在SiO2-BN陶瓷表面的潤濕鋪展行為,揭示了活性元素Ti在反應潤濕體系中的作用。研究結果表明,AgCu-Ti/SiO2-

3、BN體系的潤濕性取決于SiO2-BN陶瓷界面TiN-TiB2反應層的形成;液態(tài)釬料中的Ti含量和溫度對體系潤濕性的影響不明顯;陶瓷表面形態(tài)僅影響接觸角開始降低階段的速率。采用電子束蒸鍍輔助釬焊的方法研究了SiO2-BN陶瓷自身釬焊過程中的界面特征。釬焊過程中,Ti鍍層快速向液態(tài)Ag-Cu釬料中溶解擴散直至形成均勻體系。液態(tài)釬料中的活性元素Ti在化學勢差驅動力作用下向SiO2-BN陶瓷聚集形成富Ti層。富Ti層與陶瓷反應形成TiN-TiB

4、2納米晶反應層;并與Cu反應形成不連續(xù)的帶狀Ti-Cu化合物。從熱力學角度討論了潤濕鋪展以及自身釬焊兩種界面反應模式下,活性元素Ti與SiO2-BN陶瓷的界面反應機制,即解明了厚度為150-200nm的TiN-TiB2納米晶反應層的形成過程。
　　采用Ag-Cu/Ti活性釬料分析了Invar/SiO2-BN體系的釬焊性,闡明了Ti含量、工藝參數(shù)對接頭界面組織和性能的影響。Ti含量和工藝參數(shù)影響陶瓷界面反應區(qū)域的厚度以及Fe2Ti-

5、Ni3Ti脆性化合物的形成和分布。當Ti含量為4.5wt.％時,在釬焊溫度880℃,保溫10min條件下接頭的平均抗剪強度最大為32MPa,并且接頭的抗剪強度隨著工藝參數(shù)的改變急劇降低。兩種母材固有的熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的殘余應力以及釬焊接頭中脆性化合物的形成都弱化接頭性能。
　　為了調節(jié)中間層組織的熱膨脹系數(shù),緩解接頭的殘余應力,采用機械球磨法制備h-BN顆粒增強的Ag-Cu-Ti+BN復合釬料中間層體系,通過原位反應釬焊Inva

6、r合金和SiO2-BN陶瓷。使用優(yōu)化的復合釬料中間層釬焊Invar/SiO2-BN體系,h-BN顆粒完全與活性元素Ti反應形成TiB晶須和TiN顆粒聯(lián)合增強的接頭;Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制,接頭的平均抗剪強度達到39MPa。綜合考慮釬焊接頭的界面結構、連接體系熱膨脹系數(shù)的匹配性以及中間層組織的塑性變形能力三方面因素,討論了釬焊接頭的強化機制。
　　基于Invar合金向液態(tài)釬料中的溶解機制,設計并采用

7、Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti軟性復合中間層釬焊Invar合金與SiO2-BN陶瓷,實現(xiàn)Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并緩解接頭的殘余應力。研究了Cu中間層厚度對Invar/SiO2-BN釬焊接頭界面組織和性能的影響,使用軟性復合中間層獲得的接頭強度高于僅使用Ag-Cu-Ti釬料的釬焊接頭,當Cu中間層的厚度為100μm時,接頭的抗剪強度最大為43MPa。從釬焊過程中的反應次序以及Cu中間層的阻隔作用兩方面揭示了接頭中Fe2

8、Ti+Ni3Ti脆性化合物的抑制機制。結合顆粒增強復合釬料和軟性復合中間層兩方面的優(yōu)點,設計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti+BN軟性-梯度中間層釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷。釬焊接頭組織既實現(xiàn)對Fe2Ti+Ni3Ti脆性化合物的完全抑制,又實現(xiàn)對陶瓷側熱膨脹系數(shù)的調節(jié)。
　　采用有限元模擬方法評價三種中間層體系釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接頭的殘余應力大小和分布。結果表明,三種中間層體系獲得釬焊接頭的最大殘