ZrB2-SiC陶瓷与镍基合金钎焊接头组织及力学性能研究

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ZrB2-SiC陶瓷具有高熔点、高热导性、高强度、高硬度、优异的耐腐蚀性能等特点,被广泛运用在载人飞行器、超音速飞机等方面。尽管如此,在实际加工成型方面,由于陶瓷材料本征的脆性与难以进行机加工等缺点使其发展与应用受到很大的限制。Inconel600镍基高温合金其主要添加元素为铬、铁与镍,是固溶强化型合金,具有高熔点、优异的耐腐蚀性能与抗氧化性等特点。在航天航空方面,能够制备成结构性能优异的涡轮盘与叶片等结构件。本文采用AgCu、AgCu/泡沫Cu/AgCu以及Ti/AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料,在不同钎焊温度、不同保温时间以及不同泡沫Cu厚度下对ZrB2-SiC陶瓷/Inconel 600镍基高温合金进行真空钎焊,研究了工艺参数对接头界面的微观组织以及力学性能的影响。AgCu钎焊ZrB2-SiC陶瓷/Inconel 600镍基高温合金时,接头界面的典型析出相主要为Ni-Fe-Cr、Cuss、Agss、(Cr,Fe)7C3。在不同的工艺参数下,钎焊接头的界面产物种类没有变化,但析出相的体积分数、尺寸及厚度均发生一定的变化。随着钎焊温度以的升高及保温时间的延长,靠近陶瓷一侧的(Cr,Fe)7C3析出相不断增加增厚,在陶瓷与钎料连接面逐渐形成(Cr,Fe)7C3反应层。在钎焊温度为900℃,保温时间5min时,钎焊接头的抗剪强度达到最大值70.7MPa,断裂主要发生在陶瓷侧,断口表面平整,属于典型的脆性断裂。AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料钎焊ZrB2-SiC陶瓷与Inconel 600镍基高温合金时,接头界面的典型析出相主要为Ni-Fe-Cr、Cuss、Agss与(Cr,Fe)7C3。钎料中添加了泡沫Cu后,在焊缝中能够明显观察到泡沫Cu骨架结构,不同工艺参数下接头界面的产物种类并没有变化。当保温时间太短或泡沫Cu厚度过大时,界面反应不充分,母材之间结合不够紧密,保温时间过长或泡沫Cu厚度过小时,靠近ZrB2-SiC陶瓷一侧的(Cr,Fe)7C3析出过多,并形成棒状结构,使得钎焊接头的脆性增加,从而降低了接头的抗剪强度。当钎焊温度为900℃,保温时间为15min,泡沫Cu厚度为1.0mm时为最佳工艺参数,钎焊接头的室温抗剪强度高达103.2MPa。工艺参数的改变对钎焊接头的断裂位置影响不大,无论是改变保温时间还是泡沫Cu厚度,其接头的断裂位置主要都是在ZrB2-SiC陶瓷上发生的,断裂过程属于典型的脆性断裂。AgCu钎料钎焊ZS与In 600时,钎焊接头中的应力峰值为287MPa;AgCu/泡沫Cu/AgCu钎焊ZS与In600时,接头中应力峰值为141MPa,较AgCu钎料下降了 146MPa。故采用AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料钎焊ZS与In 600能够有效的缓解接头残余应力。AgCu/泡沫Cu/AgCu/Ti复合钎料钎焊ZrB2-SiC陶瓷与Inconel 600镍基高温合金时,接头界面的典型析出相主要为Fe-Cr-Ni,TiCu,TiFe2,Agss,Cuss,Ti5Si3+TiC,不同保温时间下接头界面的析出相并没有变化。随着保温时间的延长,焊缝中析出的Ti5Si3、TiC和TiFe2不断增多,泡沫Cu骨架结构逐渐变稀疏。在钎焊温度900℃,保温时间为15min时,接头抗剪强度达到最大值198Mpa。对比不同保温时间下的接头断口,其断裂位置主要都是在ZrB2-SiC陶瓷上发生,断裂过程属于典型的脆性断裂。
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