TC4钛合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究
目前，先进的陶瓷材料因其所具备的优异综合性能而被广泛应用于航天航空以及尖端科技领域。其中Si3N4陶瓷因其在透波性和力学性能上的优异表现而被视为最合适的新一代雷达天线罩材料，然而，在雷达天线罩的装配和服役过程中需要实现陶瓷罩体与金属支架的可靠连接。具有高比强度高比刚度，且耐热耐腐蚀的TC4合金为当前雷达天线结构支架的主要材料。但由于金属材料与陶瓷材料本身物理性质和力学性能上存在明显的不同，实现其二者可靠且高效的连接成为了一个亟待解决的问题。本课题旨在通过自制的纳米Si3N4颗粒增强的AgCu基复合钎料实现TC4与Si3N4陶瓷的可靠连接，通过对钎焊接头界面处的显微组织和结构的表征，分析了钎焊过程中钎料与母材之间的反应机理，深入探讨了钎焊温度和保温时间对钎焊接头组织和性能的影响，并利用有限元分析的方法对接头残余应力的分布进行分析。 参考复合材料的相关理论，为了缓解钎焊接头处因母材热膨胀系数不同而产生的残余应力以及提高钎焊接头的综合性能，本课题通过机械球磨的方法获得了纳米Si3N4颗粒增强的AgCu基复合钎料(AgCuC)，并应用所制得的复合钎料成功的将TC4钛合金和Si3N4陶瓷进行连接，利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)等分析测试手段对钎焊接头进行表征得到其界面处典型的显微组织结构为:TC4/Ti-Cu IMC/Ag(s，s)+Ti-Cu IMC+ TiNP+ Ti5Si3P/TiN+Ti5Si3/Si3N4。用AgCuC钎料钎焊TC4/ Si3N4接头的钎焊机理可总结如下:在钎焊过程中，钎料中的Ti元素向母材中扩散而TC4中的Ti元素向钎缝区域溶解，使得钎缝中的纳米Si3N4颗粒与Ti元素充分反应并形成了近于纳米级别的TiN和Ti5Si3颗粒，而这些弥散分布的纳米颗粒为Ti-Cu金属间化合物的形成提供了形核质点，使得钎缝区域中形成了类似于金属基复合材料的均匀组织结构。通过对TC4/Si3N4接头钎焊机理的研究发现钎缝组织形成的过程中Ti元素的扩散和溶解起到了至关重要的作用，且钎焊温度、保温时间等工艺参数对钎焊接头显微结构和力学性能的影响较大。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和万能试验机等分析测试手段对不同钎焊工艺参数条件下的钎焊接头界面处显微组织结构和力学性能进行检测可知:当钎焊温度较低保温时间较短时，钎焊接头界面处的反应层过薄而难以实现母材与钎料之间的牢固连接，当钎焊温度较高或保温时间较长时，钎焊接头界面处的反应层和反应相过度生长，使得钎焊接头的脆性增加，不利于钎焊接头的性能，只有当钎焊工艺参数为在880℃下保温10min时获得钎焊接头具有类似于复合材料的接头界面组织且其在室温下抗剪强度最大为78.4MPa，比使用传统AgCu钎料钎焊TC4合金和Si3N4陶瓷的钎焊接头抗剪强度有显著提高。 通过分析复合钎料钎焊TC4/Si3N4陶瓷的钎焊机理，我们认为TC4/AgCuC/Si3N4的钎焊接头之所以具有较好的性能主要是由于钎焊接头中弥散且均匀分布的纳米级颗粒对钎焊接头起到了弥散强化的作用，与此同时，复合钎料通过降低钎缝组织的热膨胀系数来缓解了接头处的残余应力从而提高了钎焊接头的室温性能。利用有限元模型对钎焊接头的残余应力进行模拟结果表明:复合钎料的应用并没有对应力在钎焊接头处的分布产生明显的影响，然而钎焊接头处应力的峰值和等效应力的分布范围却因此而明显减小。
钛合金;氮化硅陶瓷;钎焊工艺;力学性能;有限元分析
中国海洋大学
硕士
材料工程
王昕
2015
中文
TG454
73
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）