TiC金属陶瓷与304不锈钢的连接工艺及相关理论研究

摘要

TiC金属陶瓷具有高硬度、高耐磨、耐高温、抗氧化等特性，从而得到了普遍的重视和广泛的应用。但 TiC金属陶瓷的耐冲击性低、机械加工性差，极大限制了它的应用。将其与其他金属材料(如钢)连接成复合构件将进一步扩大其在工程中的应用范围。但 TiC金属陶瓷与金属的物理、化学、力学性能差异极大，很难得到理想的连接界面，且接头中容易产生的残余应力和较多的连接缺陷。因此，研究TiC金属陶瓷与金属的连接具有重要的实际意义。本文针对 TiC金属陶瓷与钢的连接问题，开展了TiC金属陶瓷/304不锈钢(304SS)的钎焊、固相扩散连接与部分瞬间液相连接研究工作。
　　目前，陶瓷与金属的焊接或连接多采用 Ag-Cu基合金作为填充层，其中贵金属Ag的含量大多大于50％，导致连接成本高，不便于工业生产的广泛应用。另外，多数Ag-Cu基钎料连接的接头服役温度较低，大约500℃甚至低于500℃，使陶瓷在高温结构件上的使用受到限制。因此，有待开发新型低成本、高性能的钎料。
　　以Cu作为活性钎料的基础成分，依据键参数理论与吉布斯自由能的计算，选择添加Ni、Mn和Nb元素作为Cu基活性钎料的组元，对TiC金属陶瓷与304SS进行了钎焊试验。通过SEM、EDS和XRD等方法，研究了活性元素Nb的含量、工艺参数对TiC/CuNiMnNb/304SS钎焊界面微观结构与性能的变化规律。分析发现，活性元素Nb与TiC发生化学反应，生成具有一定金属性和陶瓷性的NbxCy化合物，对界面的物理化学性质起到了过渡作用,界面结构为304SS/σ/Cus.s/Nb6C5/Nb2C/αTi/TiC，揭示了CuNiMnNb合金钎料钎焊TiC/304SS的界面形成机制。Nb的含量、钎焊温度和保温时间直接影响界面结合强度，当Nb含量8wt%、钎焊温度1170℃、保温时间15min时，TiC/Cu52Ni32Mn8Nb8/304SS接头的剪切强度高达92.5MPa。
　　钎焊接头的服役温度一般在钎料熔化温度以下，受钎料的熔点限制，而固相扩散连接接头相比钎焊接头，其服役温度受中间层熔点的影响较小，所以广受关注。固相扩散连接中，由于TiC金属陶瓷与304SS的热膨胀系数差别很大，在接合面附近将形成高的残余应力，降低这种残余应力的中间层选择是实现可靠连接的关键。采用 Ti-Nb-Cu中间层，在连接温度925℃、保温时间20min、连接压力8MPa条件下，固相扩散连接的TiC/304SS接头的平均剪切强度为84.6MPa。剪切断裂发生在近 TiC/Ti连接界面的 TiC金属陶瓷内部。分析发现，TiC金属陶瓷与中间层Ti之间形成连续的Ti原子过渡。Nb与Ti无限固溶，并且Nb的线膨胀系数与TiC金属陶瓷极为接近，在接头中可形成应力缓冲区。Cu延展性很好，并且与304SS中的Fe、Cr等元素反应不生成金属间化合物，有利于接头性能的提高。
　　TiC/Ti-Nb-Cu/304SS恒压固相扩散连接的时间长、压力大，在此基础上为了促进原子间的互扩散，缩短连接时间，而引入了脉冲加压技术。试验将中间层调整为Ti-Nb，连接温度降低至890℃，保温时间缩短至4~16min，对TiC/304SS进行恒压(10MPa)与脉冲加压(2~10MPa)扩散连接对比实验。通过对接头中原子扩散系数的理论计算发现，脉冲压力确实有效的提高了原子的扩散速度。当保温时间仅为10min时，接头的平均剪切强度已高达110 MPa，说明采用脉冲加压扩散连接技术不仅大幅度提高了连接效率，而且提高了连接接头的力学性能。该接头的断口呈混合型断裂的特征，即裂纹沿着 TiC金属陶瓷与界面反应区间交替扩展，这种断裂方式消耗的能量更多，对应的接头强度更高，从而揭示了脉冲压力对接头性能的影响规律。
　　固相扩散连接工艺对待焊母材端面的粗糙度要求很高，而部分瞬间液相连接(PTLP)克服了这些缺点，并一定程度上综合了钎焊与固相扩散连接的优点。采用Ti-Cu-Nb金属中间层，对TiC金属陶瓷与304SS进行了 PTLP连接试验。在TiC金属陶瓷一侧，Ti-Cu层在高于共晶点的连接温度下熔化，与TiC金属陶瓷、核心金属层Nb产生界面反应；而在304SS一侧，Nb与304SS进行固相扩散，以形成具有固相扩散特征的连接结构。在连接温度890℃、保温时间10min、连接压力10MPa条件下，TiC/Ti-Cu-Nb/304SS接头剪切强度最高达106.7MPa，界面结构为304SS/σ/Nb/CuTi/CuTi2/αTi/TiC。通过 Ti-Cu化合物形成规律的理论计算，以及对PTLP工艺参数的优化，为界面产物的生长控制提供理论依据。
　　通过上述研究表明，选择合适的连接工艺可以实现TiC金属陶瓷与304SS的高强度连接。而合理的钎料/中间层设计、工艺参数的优化，可促进接头中原子的扩散与冶金反应，从而实现高效率、低成本、高性能的连接，为 TiC金属陶瓷与异种材料的连接提供新的思路。

目录

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论文创新点

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 TiC金属陶瓷的研究现状

1.3 TiC金属陶瓷与钢连接存在的问题

1.4 TiC金属陶瓷与钢连接技术的研究近况

1.5 本课题研究方案与内容

2 试验材料及研究方法

2.1 试验材料

2.2 连接实验

2.3 分析检测方法

3 CuNiMnNb无银活性合金钎料的钎焊试验

3.1 引言

3.2 多元Cu基钎料的组元选择

3.3 CuNiMnNb钎料的钎焊特性

3.4 TiC/CuNiMnNb/304SS钎焊界面的形成机理

3.5 连接工艺对接头组织与性能的影响

3.6 本章小结

4 Ti-Nb-Cu与Ti-Nb为中间层的固相扩散连接试验

4.1 引言

4.2 TiC/Ti-Nb-Cu/304SS恒压固相扩散连接

4.3 TiC/Ti-Nb/304SS恒压与脉冲加压扩散连接对比

4.4 TiC/304SS接头的微观扩散机制

4.5 本章小结

5 Ti-Cu-Nb为中间层的部分瞬间液相连接试验

5.1 引言

5.2 TiC/Ti-Cu-Nb/304SS部分瞬间液相连接

5.3 工艺参数对接头组织与性能的影响

5.4 TiC/Ti-Cu-Nb/304SS扩散连接界面形成过程

5.5 TiC/Ti-Cu-Nb/304SS界面层的Ti-Cu金属间化合物

5.6 本章小结

6 TiC金属陶瓷/304不锈钢接头缺陷与断裂

6.1 引言

6.2 TiC/304SS接头中的缺陷类型

6.3 TiC/304SS接头裂纹扩展路径和断口形貌

6.4 本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 申请专利：