Al2O3陶瓷的反應(yīng)金屬化及其與5A05合金擴散釬焊機理研究.pdf

1、Al2O3陶瓷與鋁合金復(fù)合構(gòu)件在電力電子、航空航天、能源交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，Al2O3陶瓷與鋁合金本身都是焊接性較差的材料。二者的連接不僅要解決陶瓷潤濕性差、接頭殘余應(yīng)力大等陶瓷與金屬連接的共性問題，而且受鋁合金熔點的限制，目前陶瓷與金屬連接常用的活性釬焊方法不能使用。本文針對Al2O3陶瓷與鋁合金高致密封接的迫切要求，提出了Al2O3陶瓷先反應(yīng)金屬化再與鋁合金擴散釬焊的連接方法，研究接頭形成機理，實現(xiàn)了接頭成型的精確控

2、制，獲得了高質(zhì)量的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金連接結(jié)構(gòu)。
　　Al2O3陶瓷反應(yīng)金屬化，即在Al2O3陶瓷待連接表面預(yù)置反應(yīng)金屬（含有可與陶瓷反應(yīng)的活性元素及可與Al發(fā)生共晶反應(yīng)的元素），利用活性元素與陶瓷的反應(yīng)實現(xiàn)金屬化層與陶瓷的結(jié)合。以反應(yīng)金屬化后外層金屬固溶體為中間層，實現(xiàn)反應(yīng)金屬化的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金的擴散釬焊。
　　反應(yīng)金屬化是實現(xiàn) Al2O3陶瓷與5A05鋁合金高致密封接的第一步。為獲得良好的反應(yīng)金

3、屬化質(zhì)量，從材料設(shè)計和工藝控制兩方面入手，設(shè)計反應(yīng)金屬成分，考察工藝參數(shù)的影響。確定了反應(yīng)金屬的添加形式為TiH2+AgCu共晶+B混合粉末，合適的B含量為0.9~2.3wt.％，相應(yīng)Ti含量為5.8~12wt.%。較佳的反應(yīng)金屬化溫度為880～900℃，反應(yīng)金屬化時間5～20min，形成 Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ag(s.s)+Cu(s.s)+TiB+Ti-Cu化合物的反應(yīng)金屬化結(jié)構(gòu)。
　　反應(yīng)金屬化后陶瓷側(cè)界面反應(yīng)層的

4、厚度直接影響 Al2O3陶瓷與5A05鋁合金接頭的性能，反應(yīng)層不連續(xù)或是厚度太小，不足以形成良好的連接，不能保證界面的致密，厚度太大，則反應(yīng)層自身會產(chǎn)生缺陷，造成性能下降。在分析Al2O3陶瓷反應(yīng)金屬化物理過程的基礎(chǔ)上，建立了工藝上可控參數(shù)（如反應(yīng)金屬成分、添加量，反應(yīng)金屬化溫度、時間等）與界面反應(yīng)層及外層金屬厚度之間的關(guān)系，為整個連接過程的控制邁出第一步。
　　在反應(yīng)金屬化后的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金擴散釬焊過程中，必須控

5、制5A05鋁合金的溶解量。溶解量太小，去膜動力不足，鋁合金表面氧化膜就會成為連接的障礙，造成接頭不致密；溶解量太大，又會導(dǎo)致接頭溶蝕，特別是對于本課題中的薄壁鋁管，甚至?xí)斐射X管的蝕穿。由于TiB不與鋁合金發(fā)生反應(yīng)，所以實現(xiàn)5A05鋁合金擴散釬焊的中間層是反應(yīng)金屬化 Al2O3陶瓷外層中的Ag、Cu基固溶體。以5A05/AgCu/5A05體系作為研究對象，闡明鋁合金擴散釬焊的物理過程，建立5A05鋁合金溶解量的數(shù)學(xué)模型，為反應(yīng)金屬化Al

6、2O3陶瓷與5A05鋁合金的擴散釬焊提供理論指導(dǎo)。
　　在共晶溫度附近將 Al-Cu-Ag三元體系處理為 Al-AgCu偽二元體系。結(jié)合Al-Cu-Ag三元相圖，得到共晶溫度附近 Al元素的濃度分布。根據(jù)擴散定律及物質(zhì)的連續(xù)性方程，分析了5A05母材/AlCuAg液相界面和AlCuAg液相/AgCu中間層界面的移動，建立了5A05鋁合金的溶解量與擴散釬焊溫度、保溫時間以及中間層厚度的關(guān)系模型。
　　在分析 Al2O3陶瓷反應(yīng)

7、金屬化以及5A05鋁合金擴散釬焊的基礎(chǔ)上，以反應(yīng)金屬化外層金屬固溶體厚度與擴散釬焊所需中間層厚度之間的關(guān)系為橋梁，提出了Al2O3陶瓷與5A05鋁合金高致密封接過程連接參數(shù)的優(yōu)化原則及方法。從Al2O3陶瓷與5A05鋁合金結(jié)構(gòu)件的性能要求、結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，以控制Al2O3陶瓷側(cè)界面反應(yīng)層厚度及5A05鋁合金溶解厚度為目的，合理選擇反應(yīng)金屬成分、添加量、反應(yīng)金屬化溫度、反應(yīng)金屬化時間以及擴散釬焊溫度、擴散釬焊時間等參數(shù)，對 Al2O3陶瓷與