Ag-Cu-Ti复合钎料钎焊SiC陶瓷的工艺和连接机理研究

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碳化硅陶瓷作为结构陶瓷中重要的一员,由于其出色的性能,在工业中有广阔的应用前景。但由于制备过程与加工过程的限制,很难直接加工成复杂的大型结构件,只能通过材料的连接来实现。钎焊是陶瓷连接应用中最为普遍的技术,但由于金属钎料与SiC陶瓷显著的热膨胀系数和弹性模量的差异,连接接头容易产生较大的残余应力而导致接头强度不高,甚至接头开裂。本文从调节Ag-Cu-Ti钎料热膨胀系数的角度出发,寻求可降低其热膨胀系数和提高接头强度的增强相,并确定其适宜的SiC陶瓷钎焊工艺参数。借助SEM、EDS、XRD、TEM等手段,研究了接头钎缝的微观组织和界面反应层的形成机理;利用材料试验机测试了接头的剪切强度。结果表明,使用Ag-Cu-Ti钎料钎焊时,钎缝主要由Ag基固溶体和富Cu相组成,界面反应层由Ti5Si3+TiC反应层构成。研究了钎焊温度、保温时间和增强相的体积分数对接头组织和力学性能的影响。结果表明,Ag-Cu-Ti复合钎料中加入一定量(520 vol.%)的SiC、TiC、W及Cr3C2颗粒不会改变钎缝的相组成,增强相弥散分布在钎缝中。当加入适量(5%10 vol.%)的第二相颗粒时,可促进钎缝非均质形核,细化钎缝组织,同时降低复合钎料的热膨胀系数,缓解接头残余应力,从而提高接头连接强度。过量(>15 vol.%)的第二相颗粒的添加会造成颗粒团聚现象,不利于钎料的流动和填充,对连接起到负面影响。过低的钎焊温度(787℃)和较短的保温时间(5 min)下,钎料还未充分熔融反应,不能形成连续致密的反应层且钎缝会有疏松和孔洞等缺陷。过高的的钎焊温度(827847℃)下,界面反应剧烈,反应层中的Ti5Si3脆性相的增多,导致强度下降。保温时间(>20 min)的增长使得反应层变厚,增大了界面错配力,引起连接强度的下降。合适的钎焊温度和保温时间下,界面各相充分扩散反应,反应层连续均匀,获得最好的连接效果。当加入10 vol.%的Cr3C2,钎焊温度为807℃,保温时间为10 min时,获得了最大的剪切强度为212.83 MPa。相对于纯Ag-Cu-Ti钎料钎焊获得的最大剪切强度78.58 MPa高出了近170%,相对于Ag-Cu-Ti-xSiC最大提高至103.36 MPa、Ag-Cu-Ti-xW提高至95.05 MPa及Ag-Cu-Ti-xTiC提高至115.09 MPa,可以看出加入Cr3C2颗粒对复合钎料的调节效果更为显著。在500℃下对接头进行热暴露实验,随着热暴露时间的延长,钎缝组织出现了疏松和孔洞,甚至出现了晶粒异常长大的现象,引起连接强度的下降。
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