钛硅共晶复合钎料钎焊SiC陶瓷的工艺和机理研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aquariuszh
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SiC陶瓷及其复合材料具有高强度、高硬度、高熔点、优异的抗辐照能力及化学稳定性等优点而被认为是航空航天和核工业等对材料要求极为苛刻领域的理想结构材料。然而,由于陶瓷材料极大的脆性及技术和设备的限制,很难直接成型加工制备出尺寸大或形状复杂的陶瓷部件,往往需要通过材料连接来实现。因此,SiC陶瓷及其复合材料连接技术是制约其工程应用的关键因素之一。针对SiC陶瓷钎焊接头高温领域的应用需求,本研究首先优化了具有熔点高、高温强度好且对SiC陶瓷润湿性良好的Si-24Ti(wt.%)共晶合金的钎焊工艺。在此基础上,通过在共晶合金中添加一定量的SiC、碳纳米管(CNT)和碳化硼(B4C)组成复合钎料并进行钎焊实验,系统研究了复合钎料中陶瓷增强相的形成及分布对SiC接头的微观组织和力学性能的影响,阐明了陶瓷增强相对接头的强化机制。本论文对于SiC陶瓷及其复合材料的工程应用具有重要的实用价值和理论意义。研究取得的主要成果如下:(1)使用由Si和TiSi2两相组成的Si-24Ti(wt.%)共晶钎料在1360-1400℃、10-30 min实现了SiC陶瓷的连接。钎焊温度和保温时间对接头的微观组织形貌和力学性能有着重要的影响。在钎焊温度1380℃、保温时间20min时,SiC接头的剪切强度可达到88.5 MPa。(2)添加尺寸为60 nm的SiC颗粒(质量分数≤1 wt.%)可细化接头中Si和TiSi2相的晶粒尺寸和增加Si+TiSi2共晶区的体积分数。在加入1 wt.%SiC时,晶粒尺寸细化效果最佳,SiC接头的剪切强度可达106.3 MPa,比未添加SiC颗粒的接头提高了20.1%。在添加1.5 wt.%SiC的接头中,发现了SiC增强颗粒团聚的现象。(3)采用CNT增强复合钎料钎焊连接SiC是可行的。CNT的添加,在接头中原位反应生成了弥散分布的SiC颗粒,细化接头微观组织,提高了接头强度。添加3 wt.%CNT的接头强度可达108.1 MPa,比未添加的接头提高了22.1%。加入5 wt.%CNT时,接头中出现了大量的孔洞而使强度下降至55.1 MPa。(4)B4C与共晶合金原位生成了在钎缝中弥散分布的微米和亚微米级的SiC和TiB2。随着复合钎料中B4C质量分数的增加,钎缝中SiC相和TiB2相的体积分数不断增加,钎缝硬度和接头强度不断增加,直至加入5 wt.%B4C时,钎缝硬度和接头强度达到最大值,分别是1139.7 Hv0.05和114.5MPa。然而,在加入7 wt.%B4C时,大量孔洞的出现使接头力学性能下降。(5)由于TiSi2与Siss和SiC热膨胀系数差异较大,在钎焊冷却过程中易产生残余应力,TiSi2/Siss和TiSi2/SiC界面不兼容,在粗大的TiSi2相中易生成微裂纹。钎缝中的陶瓷增强相在焊后冷却过程中形成多个形核质点,抑制了Si和TiSi2相的长大,细化了其晶粒尺寸,避免了接头中微裂纹的形成,提高了接头力学性能。此外,原位反应形成的细小SiC和TiB2陶瓷相,起到了提高钎缝自身强度的作用。
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