Si3N4陶瓷与镍基合金钎焊连接研究

摘要

Si3N4陶瓷是一种无机非金属强共价键的化合物，具有比强度高、比模量高、耐高温、抗氧化和耐磨性好以及耐热冲击性好的优点，在高速、高温及具有强腐蚀性介质的环境下有特殊的应用价值。GH4169镍基合金材料在高温条件下具有较高的屈服强度，可塑性、持久性能以及耐疲劳性能好等特点，广泛应用于航空发动机上的一些关键部件。因此研究Si3N4陶瓷与镍基合金的钎焊具有非常重要的意义。
　　本文采用（AgCu28）95.5Ti4.5钎料钎焊连接Si3N4陶瓷与镍基合金，研究了钎焊温度对接头界面组织及力学性能的影响。得出接头的典型结构为：Si3N4陶瓷/TiN/Ag(s,s)+Cu(s,s)+(Ag,Cu)+Fe2Ti+AlNi2Ti/镍基合金。其中钎焊温度主要影响接头中金属间化合物的形成以及陶瓷侧反应层的厚度。随着钎焊温度升高，接头内金属间化合物尺寸增大，陶瓷侧反应层变厚，接头的抗剪强度先增加后减小。在本次研究的范围内，得出使用 AgCuTi钎料钎焊Si3N4/镍基合金接头的最佳钎焊温度为860℃，其中获得的接头抗剪强度最高为86MPa。
　　使用AgCuTi钎料直接钎焊Si3N4和镍基合金，钎料对两侧母材润湿性良好，但由于两侧母材的热膨胀系数的差异引起接头残余应力过大，导致接头强度不高，断裂发生在陶瓷近缝处。通过采用AN SY S有限元软件模拟计算，得出焊接试样中残余应力的分布状态，在距离陶瓷与钎缝界面层0.2mm的狭小区域处是钎焊接头中的薄弱区域，裂纹将会在此位置出现。
　　针对焊后接头残余应力过大的问题，研究采用间接钎焊的方法来提高钎料与母材的润湿性，进而缓解接头的残余应力。通过磁控溅射技术在Si3N4陶瓷基体表面沉积Ti/Cu金属膜，然后用同样的钎料在860℃钎焊温度下进行钎焊连接，研究不同功率下的Cu金属膜对钎焊接头组织及性能的影响。研究发现随着Cu靶功率的增加，接头抗剪强度先增加后减少。其中Cu靶功率在220W时，薄膜的（111）晶面择优取向最稳定，获得接头的最高剪切强度为79MPa，断裂仍发生在陶瓷近缝处，表明接头的残余应力还比较大。
　　结果发现通过磁控溅射镀膜使陶瓷表面金属化的方法无法达到缓解残余应力的目的。设计 Si3N4/AgCuTi/Cu/AgCu/镍基合金这种多层复合方式：钎料加中间层，钎焊 Si3N4陶瓷与镍基合金。成功地使钎缝中 Fe2Ti和 AlNi2Ti两种金属间化合物的产生得到了抑制而且有效缓解接头中的残余应力。得到的接头的典型结构为：Si3N4陶瓷/TiN+Ti5Si3反应层/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Cu(s,s)/Ag(s,s)+Cu(s,s)/镍基合金。探究了不同的厚度的Cu中间层对 Si3N4陶瓷/镍基合金钎焊接头组织和性能的影响。结果发现采用Si3N4/AgCuTi/Cu/AgCu/镍基合金这种钎焊方式所得力学性能强度高于采用AgCuTi直接钎焊所得接头的弯曲强度。其中，当Cu中间层厚度为0.1mm时，得到的接头的剪切强度最高为101.4Mpa，比仅使用AgCuTi钎料所得的最好接头强度还要增加27％左右。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的及意义

1.2 Si3N4陶瓷和镍基合金连接性分析

1.3 钎料的研究现状

1.4 缓解陶瓷与金属钎焊接头产生残余应力的方法

1.5本文的主要研究内容

第2章 Si3N4陶瓷/镍基合金钎焊试验

2.1试验材料

2.2钎焊前准备过程

2.3钎焊工艺的确定

2.4 钎焊接头组织结构分析

2.5钎焊接头抗剪强度的测定

2.6剪切试验接头断口观察

第3章AgCuTi钎料钎焊Si3N4/镍基合金接头组织性能机理研究

3.1引言

3.2 AgCuTi钎料钎焊Si3N4/GH4169接头的显微组织分析

3.3钎焊温度对Si3N4/GH4169镍基合金接头组织和性能的影响

3.4 AgCuTi钎料钎焊Si3N4/镍基合金的连接机理

3.5本章小结

第4章Si3N4陶瓷与镍基合金钎焊接头残余应力的数值模拟

4.1 引言

4.2 Si3N4陶瓷/镍基合金接头残余热应力的数值模拟

4.3 Si3N4陶瓷/镍基合金接头应力场的模拟计算

4.4本章小结

第5章 表面金属化法对Si3N4/镍基合金接头组织及性能的影响

5.1 引言

5.2 陶瓷表面金属化

5.3镀膜设备及工艺

5.4钎焊试验

5.5 Si3N4陶瓷表面磁控溅射Ti、Cu膜的相结构

5.6.陶瓷表面金属化对接头组织和性能的影响

5.7 表面金属化钎焊后的接头物相分析

5.8表面金属化钎焊后的力学性能分析

5.9 本章小结

第6章 中间层的加入对陶瓷/镍基合金接头组织与性能的影响

6.1 引言

6.2 中间层设计思想的提出

6.3加入中间层的试验方法

6.4 Si3N4陶瓷/Cu/镍基合金接头微观组织及性能

6.5 Si3N4陶瓷/Cu/镍基合金接头力学性能测试

6.6 本章小结

结论

参考文献

致谢