Ti2AlC陶瓷與金屬連接過程中陶瓷穩(wěn)定性和釬焊機(jī)理研究項目摘要

采用Ag、Al、Ag-Cu、Al-Si、Cu-Ti作為釬料，通過釬焊方法連接Ti2AlC陶瓷與金屬（鈦、銅、鎳）。利用試驗和理論計算的方法系統(tǒng)研究釬焊環(huán)境、釬料組元的構(gòu)成及成分、被連接金屬的種類、連接工藝參數(shù)對接頭組織特征和Ti2AlC陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。分析陶瓷母材和接頭中的微觀組織演化與接頭的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和抗氧化性能之間的關(guān)系。從理論上闡述Ti2AlC陶瓷中Al空缺的形成與Ag、Al、Cu、Si、Ti、Ni等不同金屬元素之間的交互作用原理，探求既實現(xiàn)Ti2AlC陶瓷本身及其與金屬的成功連接，又保持陶瓷母材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并發(fā)揮其獨特性能的途徑，揭示釬焊連接機(jī)理。為指導(dǎo)Ti2AlC陶瓷與金屬的連接工藝、釬料成分設(shè)計、接頭微觀組織優(yōu)化、獲得組織和性能穩(wěn)定的Ti2AlC陶瓷與金屬的接頭奠定理論基礎(chǔ)，并豐富Ti-Al-C陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)理論。

Ti2AlC陶瓷是一種兼具陶瓷與金屬的性能的新型材料，在電極材料、自潤滑材料和原子能反應(yīng)堆覆層材料等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究分別采用Ag基(Ag,Ag-Cu)、Al基(Al,Al-Si)、Ni基釬料連接Ti2AlC陶瓷，以及Ti2AlC與金屬Cu、Ni的連接，研究了釬料成分和釬焊工藝參數(shù)對接頭微觀組織、力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響規(guī)律，獲得了最佳釬焊工藝參數(shù)與最佳接頭性能。利用釬焊，創(chuàng)造一種特殊的液態(tài)金屬與Ti2AlC陶瓷的交互作用條件，采用第一性原理，計算了液態(tài)釬料與陶瓷母材的交互作用，以及釬料元素中的原子對Ti2AlC陶瓷母材中原子的取代現(xiàn)象，利用高分辨透射電子顯微鏡對原子取代現(xiàn)象進(jìn)行了驗證，揭示了Ti2AlC陶瓷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與液態(tài)釬料種類和含量的關(guān)系。結(jié)合第一性原理計算和TEM觀察，首次從原子尺度闡明并驗證了Si、Ag元素對Ti2AlC陶瓷中的原子取代作用。使用BNi-2釬料連接Ti2AlC陶瓷，獲得了剪切強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度90%的接頭。闡明了不同液態(tài)金屬與Ti2AlC陶瓷的交互作用機(jī)制，為這種陶瓷材料的設(shè)計、制備和使用條件下的穩(wěn)定性評價提供了理論依據(jù)。

SiO2-BN陶瓷作為新一代導(dǎo)彈天線罩材料，在裝配過程中陶瓷天線罩需要與金屬環(huán)進(jìn)行可靠連接。本項目采用活性釬焊方法實現(xiàn)SiO2-BN陶瓷與金屬的可靠連接，基于液態(tài)釬料與陶瓷相互作用過程中的界面特征，通過中間層體系優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)對釬焊接頭界面組織的控制以及力學(xué)性能的提高。 首先，本項目設(shè)計了兩種界面反應(yīng)模式，研究了活性釬料與SiO2-BN陶瓷的界面反應(yīng)。通過研究液態(tài)Ag-Cu/Ti釬料在SiO2-BN陶瓷表面的潤濕鋪展行為，揭示了活性元素Ti在反應(yīng)潤濕體系中的作用，并首次通過活性元素分離-高溫截流試驗闡述了反應(yīng)驅(qū)動潤濕的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，采用Ag-Cu/Ti活性釬料分析了Invar/SiO2-BN體系的釬焊性，闡明了Ti含量、工藝參數(shù)對接頭界面組織和性能的影響。兩種母材固有的熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及釬焊接頭中脆性化合物的形成都弱化接頭性能。 為了緩解接頭的殘余應(yīng)力，設(shè)計h-BN顆粒增強(qiáng)的Ag-Cu-Ti BN復(fù)合釬料體系。添加的h-BN顆粒與活性元素Ti反應(yīng)形成TiB晶須和TiN顆粒聯(lián)合增強(qiáng)的接頭；同時Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制，接頭的平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到39MPa。基于Invar合金向液態(tài)釬料中的溶解機(jī)制，設(shè)計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti軟性復(fù)合中間層，實現(xiàn)Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并緩解接頭的殘余應(yīng)力。當(dāng)Cu中間層的厚度為100μm時，接頭的抗剪強(qiáng)度最大為43MPa。結(jié)合顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料和軟性復(fù)合中間層的優(yōu)點，設(shè)計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti BN軟性-梯度中間層，實現(xiàn)脆性化合物的完全抑制，同時對陶瓷側(cè)熱膨脹系數(shù)的調(diào)節(jié)。采用有限元計算評價三種中間層體系釬焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接頭的殘余應(yīng)力大小和分布，結(jié)果表明軟性復(fù)合中間層緩解釬焊接頭殘余應(yīng)力效果最好。 SiO2-BN陶瓷釬焊過程中只有h-BN參與了界面反應(yīng)生成TiB2與TiN，未發(fā)現(xiàn)SiO2參與反應(yīng)的跡象?；诟偁幏磻?yīng)調(diào)控的思路，本項目首次提出了雙活性元素體系，采用Nb金屬作為母材，利用其向液態(tài)釬料中溶解并作為“第二”活性元素與SiO2相反應(yīng)，增強(qiáng)了界面冶金連接強(qiáng)度，接頭抗剪強(qiáng)度提高至48MPa。

前言

第9章Al₂O₃陶瓷與Ti6Al4V鈦合金的連接

第10章Al₂O₃陶瓷與5A05鋁合金的釬焊

第11章Al₂O₃陶瓷與Kovar合金的釬焊

第12章SiO₂陶瓷與TC₄鈦合金的釬焊

第13章SiO₂陶瓷與30Cr₃鋼的釬焊

第14章ZrO₂陶瓷與金屬的連接

本書針對陶瓷與金屬連接時，陶瓷母材難被潤濕、界面易形成多種脆性化合物、接頭殘余應(yīng)力大等缺點，探討了陶瓷與金屬連接時遇到的共性基礎(chǔ)問題，以常見結(jié)構(gòu)陶瓷為例，介紹它們與金屬的連接技術(shù)，以解決陶瓷與金屬連接的實際應(yīng)用問題。本書將重點介紹碳化硅、氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、碳化鈦等陶瓷與多種常見金屬（鋼、鈦及鈦合金、鋁合金、Kovar合金、純鎳、鉻及鎳鉻合金、難熔金屬鈮及鉭）的連接工藝，同時闡述活性釬料及復(fù)合反應(yīng)中間層設(shè)計原則、陶瓷母材焊前表面改性機(jī)制、界面反應(yīng)機(jī)理、接頭殘余應(yīng)力緩解機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題。