超声波辅助Zr基非晶态合金低温连接工艺及机理研究

摘要

作为一种同时兼顾了金属及玻璃两种材料特性的新型材料，金属玻璃(Metal lic Glasses,MG)自诞生之日起便受到了世界范围内的广泛关注。其中，锆基金属玻璃(Zr based metallic glasses,Zr-BMG)由于具有优异玻璃形成能力及卓越的机械性能更是吸引了结构功能材料领域的研究者们的目光。然而，囿于材料尺寸的限制，Zr-BMG在实际应用过程中首当其冲的问题就是材料的连接。钎焊是一种常用的Zr-BMG合金连接方法。然而，由于Zr-BMG独特的成分组成及原子结构，采用传统的钎焊方法连接Zr-BMG时难以获得冶金良好的钎焊接头。因此，本文选用超声波辅助液相钎焊工艺并采用Zn-Al钎料作为填充金属来连接Zr-BMG合金，重点研究了声场作用下接头显微组织演变及界面润湿机理，并揭示了显微组织与接头性能之间的内在联系。本课题的研究结果对于推动Zr-BMG合金的应用进程，以及理解声场作用下非晶材料与钎料之间的界面润湿行为有着重要的意义。 研究了Zr-BMG/Zn-3Al/Zr-BMG同质金属钎焊时，钎焊温度对接头界面显微结构和性能的影响。结果表明，钎焊温度为400℃时，接头界面只存在少量的颗粒状冶金产物。增加钎焊温度到415℃时，接头界面出现了一层厚度为17μm的反应层。进一步增加钎焊温度到430℃时，上下界面层的厚度增加到了27μm和22μm。剪切强度测试结果表明，415℃获得的钎焊接头具有最佳的力学性能，在超声振动96s时接头的剪切强度达到了100MPa。 同时也研究了415℃钎焊Zr-BMG/Zn-3Al/Zr-BMG同质金属时，超声钎焊时间对接头显微结构和性能的影响。结果表明，超声钎焊16s-64s时，接头钎缝层的显微组织为初始η-Zn先共晶相加Zn-Al共晶组织，Zr-BMG界面层只存在少量的Zn50Al25Zr25三元相反应物及Zn50Al25Zr25/Zn22Zr反应物颗粒。当超声钎焊时间增加到96s时，接头钎缝层的显微组织演变成单相η-Zn，而Zr-BMG界面层则演变成17μm厚的Zn50Al25Zr25/Zn22Zr复合反应层。这种显微结构随超声振动时间的延长而发生突变的现象是由Zr-BMG合金独特的超声腐蚀特性引起的，而Zr-BMG界面层中两种金属间化合物的交替生成则是由钎缝中Al元素含量的周期性波动引起的。 为了探究Al元素的含量对Zr-BMG/Zn-Al界面层的显微结构的影响，研究了415℃时超声钎焊时间对Zr-BMG/Zn-3Al/1060Al异质接头显微组织形貌和性能的影响。结果表明，异质接头钎焊过程中钎缝层为Zn-Al共晶加α-Al固溶体的Zn-Al过共晶形貌，且随超声作用时间的延长其中的α-Al固溶体含量不断增加。Zr-BMG界面则是由48s时的Zn50Al25Zr25三元相反应物颗粒演变成64s时的单相Zn50Al25Zr25反应层，最后演变成96s时的Zn50Al25Zr25/Al基扩散层复合结构。单相Zn50Al25Zr25反应层的出现佐证了本文提出的Zr-BMG界面层中两种金属间化合物的交替生成则是由钎缝中Al元素含量的周期性波动引起的观点，而Zn50Al25Zr25/Al基扩散层复合结构的出现则是由于钎缝层中液态组分的减少而导致的超声空化效应的减弱。剪切测试结果表明，超声钎焊64s时的接头剪切强度达到了最大值67.8MPa，断裂发生于1060Al母材中。而其他参数下的接头都是断裂于Zr-BMG界面层侧。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2非晶合金的焊接性

1.3 块体非晶合金的焊接研究现状

1.3.1 Zr-BMG高能束焊研究现状

1.3.2 Zr-BMG固相焊研究现状

1.3.3 Zr-BMG钎焊研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验母材

2.1.2 实验钎料

2.2 实验装置及钎焊工艺

2.2.1 实验装置

2.2.2 钎焊方法及工艺

2.3 接头显微组织表征及性能分析

2.3.1 形貌及成分分析

2.3.2 相组成分析

2.3.3 性能分析

第3章 超声波辅助钎焊Zr-BMG同质金属接头

3.1 钎焊温度对接头显微组织形貌的影响

3.2 钎焊时间对接头显微组织形貌的影响

3.2 接头界面润湿机理

3.4 Zr-BMG界面层形成机理及演变机制

3.5 接头力学性能

3.5.1 钎焊温度对接头剪切强度的影响

3.5.2 钎焊时间对接头剪切强度的影响

3.6 本章小结

第4章 超声波辅助钎焊Zr-BMG/1060Al异质接头

4.1不同装配方式下接头显微形貌的演变

4.1.1 1060Al/Zr-BMG装配下接头显微形貌的演变

4.1.2 Zr-BMG/1060Al装配下接头显微形貌的演变

4.1.3 不同装配下Zr-BMG界面超声作用特性

4.2 采用Zr-BMG/1060Al装配时钎焊接头的连接机制

4.2.1 接头界面润湿机理

4.2.2 接头显微形貌的演变机制

4.2.3 Zr-BMG界面层的形成机理

4.3 接头的力学性能

4.4 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录