YAS微晶玻璃连接耐辐照SiC陶瓷的工艺及机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rhux1069
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核能是一种清洁、可靠、经济的绿色新型能源,随着化石能源的逐渐消耗,核电在电力供应中扮演着越来越重要的角色。核能安全是核电发展的基础,核燃料包壳是保证燃料不发生泄露的关键部件。SiC陶瓷具有高强度、优异的抗氧化性、高温稳定性、良好的耐蚀性及较低的热中子吸收截面,在未来核反应堆结构材料的应用方面具有巨大潜力。而SiC陶瓷本身脆性大,对于大型复杂形状的构件难以加工,需要采用合适的连接技术以保证接头整体的密封性。基于此背景,本课题采用耐辐照性较好的YAS基微晶玻璃来连接SiC陶瓷。通过模拟YAS玻璃焊料连接SiC陶瓷接头中可能生成物相的辐照损伤情况,结合相图设计了36Y2O3-21Al2O3-43SiO2(wt%)焊料,系统地研究了连接工艺参数对接头的微观组织和力学性能的影响,分析接头的形成机理。对Y2O3-Al2O3-SiO2三元相图进行分析,发现采用YAS玻璃焊料连接SiC陶瓷接头中可能析出的晶体相为Y2Si2O7、Al6Si2O13、SiO2,采用SRIM程序模拟了He离子辐照接头中各物相的损伤情况,发现玻璃相中辐照损伤峰值和He浓度峰值最小,相比于玻璃,析出晶体相中的辐照损伤峰值和He浓度峰值与SiC陶瓷的更接近。玻璃焊料在1400℃左右完全熔化,能够通过析出硅酸钇晶体形成微晶玻璃。微晶玻璃与SiC具有较好的热匹配性,两者之间的热膨胀系数差异仅为13.3%。微晶玻璃采用He离子在400℃分别被辐照至剂量为3×1016ions/cm2、1×1017ions/cm2、3×1017ions/cm2。在不同的辐照剂量下,微晶玻璃未发生严重地非晶化,晶体的种类也没有发生改变。分别利用直接连接法和两步连接法对SiC陶瓷进行连接。采用直接连接法时,YAS玻璃焊料在SiC陶瓷表面的润湿角为40o,焊缝中主要包含硅酸钇相(Y2Si2O7)、莫来石(Al6Si2O13)、石英(SiO2)三种晶体相。接头的典型结构可表示为:SiC陶瓷/Y2Si2O7+Al6Si2O13+SiO2+Glass/SiC陶瓷。通过连接工艺的优化,在1420℃保温10min时得到接头的剪切强度为46MPa。为进一步提高接头中界面的结合力,在直接连接法的基础上提出采用两步连接法对SiC陶瓷进行连接。SiC母材预氧化处理后在表面生成了一层SiO2氧化膜,可使YAS焊料在SiC陶瓷上的润湿角从40o降到20o。在1420℃保温10min时获得接头的剪切强度达到了48MPa,裂纹沿着SiC陶瓷内部扩展。
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