Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料焊接界面研究

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Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料具有高硬度和高耐磨性的特点,兼具良好的抗氧化性和化学稳定性,在刀具材料和高温结构材料的应用上前景广阔。该陶瓷基复合材料机加工性能差,限制了其在工业工程中的应用,故将其与金属材料连接以扩大应用范围。本研究采用真空钎焊和辅助脉冲电流液相扩散焊实现Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料与40Cr钢的有效连接。本课题采用Ti72Ni28合金箔/Cu/Ag72Cu28复合层对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料和40Cr钢进行真空钎焊连接。结果表明,焊接温度和保温时间对接头组织和力学性能均有一定的影响,在1000°C时,钎料中的Ti能够与Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料中的Al2O3发生反应生成Ti O,激发出Al元素的活性,典型接头组织结构为Ti(C,N)-Al2O3/Cu Ti2+Ti O+Ti2Ni/Ti(Cu,Ni)/Cu2Ti2Ni/Cu基固溶体/Cu/40Cr钢。接头四点弯曲强度随焊接温度升高而增大,与保温时间呈现抛物线关系,在焊接温度1000°C,保温30min条件下获得最大的焊接接头四点弯曲强度,为158.4MPa。接头断裂失效主要是因为存在较大的焊接残余应力与脆性化合物,钎料合金与陶瓷基复合材料热物理性能差异较大,保温时间太长,易导致陶瓷基复合材料近缝区产生贯通裂纹。利用Cu73Ti27和Cu53Zr47辅助脉冲电流液相扩散焊连接Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料与40Cr钢,重点研究元素扩散行为及接头界面反应,分析不同工艺参数对接头组织及力学性能的影响。结果表明,Zr对陶瓷基复合材料有更强的亲和力,且能够与Al2O3发生置换反应,生成Zr O2;焊接温度、保温时间与接头四点弯曲强度遵循抛物线规律,Cu-Zr合金箔焊接接头力学性能普遍高于Cu-Ti合金箔接头,焊接温度900°C,保温6min条件下采用Cu53Zr47获得最大的四点弯曲强度,为418.0MPa。在焊接温度700°C,保温10min条件下对Cu/Ti、Cu/Zr扩散偶进行辅助脉冲电流固相扩散连接试验,获得扩散溶解层较厚且组织致密的焊接界面;在同样的焊接工艺参数下,Cu/Zr扩散溶解层厚度比Cu/Ti更大,保温时间对界面行为影响较大:保温时间较短,元素扩散不充分,界面反应程度较低,界面冶金结合不致密,Cu/Ti扩散偶表现的尤为强烈;保温时间延长,元素扩散更加充分,界面反应程度更高,扩散溶解层厚度增加。
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