Al2O3-TiC复合陶瓷/钢扩散焊接头微观结构及断裂研究

摘要

复合陶瓷具有比单组分陶瓷更优异的性能而得到更广泛的重视和应用。Al2O3-TiC复合陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀及抗氧化等性能使其在机械、冶金等领域具有很好的应用前景。但由于其不易成型加工、韧性及耐冲击能力差，将其与金属焊接成复合构件是发挥其性能的有效途径之一。但陶瓷与金属之间不易获得性能连续的结合界面，接头易产生很大的热应力，导致焊接裂纹等，因此，研究Al2O3-TiC复合陶瓷与金属之间的焊接问题尤为必要。
　　 采用Ti/Cu/Ti复合中间层，利用过渡液相扩散焊方法对Al2O3-TiC复合陶瓷与Q235低碳钢及1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接进行研究。Al2O3-TiC/Q235钢扩散焊控制加热温度1120～1160℃，保温时间30～60min，焊接压力10～15MPa，接头剪切强度为116～143MPa;Al2O3-TiC/18-8钢扩散焊控制加热温度1110～1150℃，保温时间30～60min，焊接压力10～15MPa，接头剪切强度为101～125MPa。采用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)对Al2O3-TiC/钢扩散焊接头的微观组织、元素分布、界面相结构以及接头的剪切断裂机制等进行研究，建立焊接工艺参数、界面过渡区组织结构、微观裂纹及断裂机制的关系，揭示其内在规律性。
　　 Al2O3-TiC/钢扩散焊接头存在组织特征不同于两侧基体的扩散焊界面过渡区，界面过渡区由两个区域组成:中间层扩散反应区和钢侧扩散反应区。中间层扩散反应区由Ti/Cu/Ti中间层中的元素与扩散进入该区的两侧基体元素扩散反应形成，其组织结构不同于两侧的Al2O3-TiC陶瓷和钢;钢侧扩散反应区位于钢基体内，为中间层中的元素(主要是Ti)扩散进入钢基体内一定距离并与钢中的元素扩散反应，改变了钢基体元素的分布状态，其组织特征不同与钢基体。
　　 对Al2O3-TiC/钢扩散焊接头的元素分布及微观相结构进行分析，结果表明，Ti、Cu与两侧基体元素相互扩散，在Al2O3-TiC陶瓷界面附近形成Ti的氧化物(TiO)和复杂结构氧化物(Cu3Ti3O、Fe3Ti3O、Ni3Ti3O)。TiO相通过Ti与Al2O3间的反应形成，其具有金属性质润湿Al2O3-TiC陶瓷，Cu、Fe、Ni与Ti及TiO相反应生成的复杂结构氧化物(Cu3Ti3O、Fe3Ti3O、Ni3Ti3O)同样具有金属性质进一步润湿Al2O3-TiC陶瓷，促进Al2O3-TiC陶瓷与钢间实现牢固的冶金连接。中间层反应区的残余Cu以固溶体的形式存在有利于缓解接头的残余应力，界面过渡区内的Fe-Ti脆性金属间化合物易于诱发裂纹。
　　 Al2O3-TiC/钢异种材料扩散焊接头剪切断裂时表现为三种断裂路径:界面断裂，混合断裂，陶瓷断裂。混合断裂的强度高于界面断裂和陶瓷断裂。Al2O3-TiC/钢扩散焊接头发生陶瓷断裂时呈现镜面区-雾状区-锯齿区的断口形貌，为典型的脆性断裂。Al2O3-TiC/Q235钢接头发生混合断裂时裂纹始于中间层反应区的Cu-Ti金属间化合物层，向Al2O3-TiC陶瓷扩展。Al2O3-TiC/18-8钢接头发生混合断裂时，断裂面向紧邻Al2O3-TiC陶瓷的中间层反应区内的Fe-Ti金属间化合物层撕裂。
　　 本文研究了Al2O3-TiC复合陶瓷与钢扩散焊接头的微观组织结构及剪切断裂机制。该研究工作为Al2O3-TiC复合陶瓷的应用提供了实验依据和理论基础。所得出的研究成果对进一步开展包括Al2O3-TiC复合陶瓷在内的陶瓷复合材料的焊接研究奠定了重要基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Al2O3-TiC复合陶瓷的制备特点及应用背景

1．2．1 Al2O3-TiC复合陶瓷的制备特点

1．2．2 Al2O3-TiC复合陶瓷的应用背景

1．3 Al2O3陶瓷与金属的焊接研究

1．3．1 连接界面及界面反应

1．3．2 液态金属对陶瓷的润湿性

1．3．3 陶瓷与金属连接存在的问题

1．3．4 Al2O3陶瓷与金属的钎焊及扩散焊

1．4 本课题的目的意义及主要研究内容

1．4．1 本课题的目的意义

1．4．2 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2．1 试验材料

2．2 扩散焊设备及工艺

2．2．1 扩散焊设备

2．2．2 扩散焊工艺

2．3 接头试样制备

2．4 试验及研究方法

2．5 本章小结

第3章 Al2O3-TiC／钢扩散焊界面附近的显微组织

3．1 引言

3．2 Al2O3-TiC／钢扩散焊界面过渡区的组织特征

3．2．1 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面过渡区的组织特征

3．2．2 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面过渡区的组织特征

3．2．3 工艺参数对Al2O3-TiC／钢扩散界面组织的影响

3．3 Al2O3-TiC／钢扩散焊接头的显微硬度

3．3．1 Al2O3-TiC／Q235铜扩散焊接头的显微硬度

3．3．2 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊接头的显微硬度

3．4 Al2O3-TiC复合陶瓷扩散焊缺陷讨论

3．4．1 未焊合

3．4．2 孔洞类缺陷

3．4．3 微裂纹

3．5 本章小结

第4章 Al2O3-TiC／钢扩散焊界面附近的元素分布

4．1 引言

4．2 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面过渡区元素的分布

4．3 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面过渡区元素的分布

4．4 本章小结

第5章 Al2O3-TiC／钢扩散焊界面附近的微观结构

5．1 引言

5．2 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面相结构

5．2．1 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面XRD分析

5．2．2 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面层形成过程

5．3 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面相结构

5．3．1 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面XRD分析

5．3．2 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面层形成过程

5．4 本章小结

第6章 Al2O3-TiC／钢扩散焊接头剪切强度与断裂分析

6．1 引言

6．2 Al2O3-TiC／钢异种材料扩散焊界面的剪切强度

6．2．1 Al2O3-TiC／Q235钢扩散焊界面的剪切强度

6．2．2 Al2O3-TiC／18-8钢扩散焊界面的剪切强度

6．3 Al2O3-TiC／钢扩散焊接头剪切断裂特征

6．3．1 Al2O3-TiC／钢扩散焊接头剪切断裂裂纹扩展路径

6．3．2 Al2O3-TiC／钢扩散焊接头剪切断口形貌

6．4 本章小结

第7章 结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

本文的主要创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

参与课题情况

学位论文评阅及答辩情况表