SiO2-BN陶瓷与Invar合金钎焊中间层设计及界面结构形成机理

摘要

SiO2-BN陶瓷是以SiO2陶瓷和BN陶瓷为基础发展起来的新一代导弹天线罩材料,表现出优异的协同强化作用,具有较好的力学和介电性能、优越的抗热震性能以及良好的抗烧蚀性能。在天线罩的实际装配应用过程中,陶瓷天线罩需要与金属环进行可靠连接。Invar合金在室温范围内的热膨胀系数较低,成为国内外金属连接环的常用材料。为了解决胶接方法的耐热性差和易老化问题以及消除机械连接带来的附加重量,本文采用活性钎焊方法实现SiO2-BN陶瓷与Invar合金的可靠连接,基于液态钎料与母材相互作用过程中的界面特征,通过中间层体系优化设计实现对钎焊接头界面组织的控制以及力学性能的提高。
　　设计了两种界面反应模式,采用FIB制样和HRTEM表征方法研究了钎料与SiO2-BN陶瓷的界面反应。通过在Ag-Cu共晶合金块上放置Ti箔的试验方法研究了液态Ag-Cu/Ti钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿铺展行为,揭示了活性元素Ti在反应润湿体系中的作用。研究结果表明,AgCu-Ti/SiO2-BN体系的润湿性取决于SiO2-BN陶瓷界面TiN-TiB2反应层的形成;液态钎料中的Ti含量和温度对体系润湿性的影响不明显;陶瓷表面形态仅影响接触角开始降低阶段的速率。采用电子束蒸镀辅助钎焊的方法研究了SiO2-BN陶瓷自身钎焊过程中的界面特征。钎焊过程中,Ti镀层快速向液态Ag-Cu钎料中溶解扩散直至形成均匀体系。液态钎料中的活性元素Ti在化学势差驱动力作用下向SiO2-BN陶瓷聚集形成富Ti层。富Ti层与陶瓷反应形成TiN-TiB2纳米晶反应层;并与Cu反应形成不连续的带状Ti-Cu化合物。从热力学角度讨论了润湿铺展以及自身钎焊两种界面反应模式下,活性元素Ti与SiO2-BN陶瓷的界面反应机制,即解明了厚度为150-200nm的TiN-TiB2纳米晶反应层的形成过程。
　　采用Ag-Cu/Ti活性钎料分析了Invar/SiO2-BN体系的钎焊性,阐明了Ti含量、工艺参数对接头界面组织和性能的影响。Ti含量和工艺参数影响陶瓷界面反应区域的厚度以及Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成和分布。当Ti含量为4.5wt.％时,在钎焊温度880℃,保温10min条件下接头的平均抗剪强度最大为32MPa,并且接头的抗剪强度随着工艺参数的改变急剧降低。两种母材固有的热膨胀系数差异产生的残余应力以及钎焊接头中脆性化合物的形成都弱化接头性能。
　　为了调节中间层组织的热膨胀系数,缓解接头的残余应力,采用机械球磨法制备h-BN颗粒增强的Ag-Cu-Ti+BN复合钎料中间层体系,通过原位反应钎焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷。使用优化的复合钎料中间层钎焊Invar/SiO2-BN体系,h-BN颗粒完全与活性元素Ti反应形成TiB晶须和TiN颗粒联合增强的接头;Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制,接头的平均抗剪强度达到39MPa。综合考虑钎焊接头的界面结构、连接体系热膨胀系数的匹配性以及中间层组织的塑性变形能力三方面因素,讨论了钎焊接头的强化机制。
　　基于Invar合金向液态钎料中的溶解机制,设计并采用Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti软性复合中间层钎焊Invar合金与SiO2-BN陶瓷,实现Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并缓解接头的残余应力。研究了Cu中间层厚度对Invar/SiO2-BN钎焊接头界面组织和性能的影响,使用软性复合中间层获得的接头强度高于仅使用Ag-Cu-Ti钎料的钎焊接头,当Cu中间层的厚度为100μm时,接头的抗剪强度最大为43MPa。从钎焊过程中的反应次序以及Cu中间层的阻隔作用两方面揭示了接头中Fe2Ti+Ni3Ti脆性化合物的抑制机制。结合颗粒增强复合钎料和软性复合中间层两方面的优点,设计Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti+BN软性-梯度中间层钎焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷。钎焊接头组织既实现对Fe2Ti+Ni3Ti脆性化合物的完全抑制,又实现对陶瓷侧热膨胀系数的调节。
　　采用有限元模拟方法评价三种中间层体系钎焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接头的残余应力大小和分布。结果表明,三种中间层体系获得钎焊接头的最大残余应力都在近界面反应层的陶瓷基体中形成。采用Ag-Cu-Ti钎料直接钎焊获得接头残余应力最大值是230MPa;采用BN颗粒增强的复合钎料时,陶瓷基体表面的最大残余应力降低为142MPa;使用软性复合中间层时,陶瓷中的最大残余应力仅为69MPa。结果表明,Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti软性复合中间层能够很好的缓解Invar/SiO2-BN钎焊接头残余应力。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 SiO2-BN陶瓷与Invar合金连接性分析

1.3 SiO2-BN陶瓷的连接研究现状

1.4 液态钎料与母材的相互作用

1.5 陶瓷与金属接头残余应力控制

1.6 课题研究内容及技术路线

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及方法

2.3 接头界面组织和性能表征

第3章 SiO2-BN陶瓷的反应润湿性及钎焊界面特征

3.1 引言

3.2 SiO2-BN陶瓷的反应润湿性

3.3 SiO2-BN陶瓷的界面反应特征

3.4 本章小结

第4章 复合钎料体系优化及钎焊接头强化机制

4.1 引言

4.2 直接钎焊Invar合金与SiO2-BN陶瓷

4.3 原位反应辅助钎焊Invar合金与SiO2-BN陶瓷

4.4 原位反应钎焊增强机制分析

4.5 界面结构形成及演化机制

4.6 本章小结

第5章 中间层设计抑制脆性化合物及提高接头性能

5.1 引言

5.2 Invar合金溶解及反应机制

5.3 软性复合中间层钎焊Invar/SiO2-BN

5.4 软性-梯度中间层的设计

5.5 软性-梯度中间层钎焊接头强化机制

5.6 本章小结

第6章 Invar合金与SiO2-BN陶瓷钎焊接头残余应力分析

6.1 引言

6.2 钎焊接头残余应力有限元分析

6.3 软性复合中间层的推广应用

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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