Ti3SiC2基复合陶瓷的组织性能及其钎焊连接研究

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Ti3SiC2陶瓷因具有金属和陶瓷的双重性能,在自润滑材料、核反应堆等领域具有广阔的应用前景。作为一种结构功能材料,Ti3SiC2陶瓷的硬度和力学性能有待于进一步提高。此外,在实际应用中,往往需要通过材料连接来实现复杂形状部件的制备。因此,提升Ti3SiC2陶瓷的综合力学性能并发展可靠的陶瓷连接技术对于促进其应用具有重要价值和意义。本文通过利用添加相B4C和Si与Ti3SiC2之间的原位反应,在Ti3SiC2陶瓷中同时引入具有高硬度高强度的Ti B2、SiC和Ti C等第二相制备了Ti3SiC2-SiC-Ti B2-Ti C复合陶瓷,分析了第二相的加入对复合陶瓷微观组织及力学性能的影响,实现了Ti3SiC2陶瓷的协同强化;采用Ag-Cu-Ti钎料以及含负膨胀系数的β-锂霞石(LAS)的Ag-Cu-Ti钎料钎焊实现了Ti3SiC2基复合陶瓷的连接,表征和分析了接头的微观组织和力学性能。以Ti3SiC2、B4C和Si为原料,在温度1380℃、压力50 MPa的条件下使用放电等离子烧结技术制备了高致密度的Ti3SiC2基复合陶瓷。当添加10 wt.%B4C和5 wt.%Si时,合成的Ti3SiC2基复合陶瓷综合力学性能最为优异,相对密度和开孔率分别达到99.3%、0.12%,维氏硬度为13.5 GPa,室温弯曲强度为483.5 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m1/2;与Ti3SiC2陶瓷相比,其硬度和弯曲强度分别提高了187.2%和16.9%。此外,复合陶瓷具有较好的高温弯曲强度,600℃和800℃三点弯曲强度分别为497.5 MPa和488.1 MPa。在钎焊温度为830~890℃的工艺参数下,采用Ag-Cu-Ti钎料实现了Ti3SiC2复合陶瓷的钎焊连接。连接界面反应层主要由Ti和SiC反应生成的Ti5Si3与Ti C组成,纳米Ti C颗粒会向液态钎料里发生扩散,作为形核质点起到细化钎料微观组织的作用。随着钎焊温度的提高,Ti和SiC之间的反应更加充分,钎料中间层出现了Ti C颗粒等相的聚集,使接头连接层组织均匀变差并降低接头力学性能。870℃钎焊样品的室温剪切强度最高,为81 MPa。在钎焊温度870℃、保温时间10 min时,Ag-Cu-Ti-x LAS钎料在Ti3SiC2复合陶瓷上的润湿角随LAS含量的增加而逐渐增大。使用Ag-Cu-Ti-x LAS钎料可以实现Ti3SiC2复合陶瓷的钎焊连接,当复合钎料中加入3 wt.%LAS时,接头的剪切强度达到97 MPa,比未加入LAS颗粒的钎焊接头提高了近20%。LAS的加入减小了Ag-Cu-Ti-x LAS复合钎料与Ti3SiC2复合陶瓷之间的热物性差异,细化了钎缝微观组织,缓解了钎焊接头残余应力。
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