SiN/Incone1600部分液相扩散连接研究

摘要

为在较低连接温度下获得高温稳定性好的Si<,3>N<,4>/Inconel600接头,该文开发了基于非对称中间层的部分液相扩散连接新技术,系统研究了Si<,3>N<,4>/Inconel600接头的力学行为、组织结构、界面反应.通过试验设计了适合Si<,3>N<,4>/Incone1600连接的非对称中间层Nb/Cu/Ni.在连接温度为1403K,连接时间为50min,连接压力为7.5MPa,冷却速度为5K/min的工艺下,采用真空扩散连接设备,获得了以Nb-Ni金属间化合物为强化相,无限互溶的Cu-Ni二元合金为基的耐高温接头.详细研究了Nb、Cu、Ni金属层厚度、连接温度、连接压力、连接时间和冷却速对接头连接性的影响.该文全面地研究了Si<,3>N<,4>/Nb/Cu/Ni/Incone1600接头相的形成、结构及分布,重点讨论了Si<,3>N<,4>/中间层的界面反应机制.通过对Si<,3>N<,4>/中间层界面反应的热力学和动力学的研究,发现是Nb先和Si<,3>N<,4>反应生成NbN和Si,Si再和Nb、Ni反应生成Nb<,3>Si、Ni<,3>Si、Nb<,5>Si<,3>、Ni<,5>Si<,2>.反应层的生长呈抛物线规律,激活能为536KJ/mol.Si<,3>N<,4>/Inconel600接头中应力分布不均匀,在Si<,3>N<,4>/中间层界面应力分布复杂、梯度大,特别是Si<,3>N<,4>/中间层界面应力梯度最大.接头最大拉应力出现在近界面的陶瓷侧表面,最大剪应力出现在陶瓷/中间层界面和陶瓷侧表面交叉位置.通过对裂纹扩展途径的分析,Si<,3>N<,4>/Inconel600接头的断裂可分为:界面断裂、混合断裂和反应层断裂三种.反应层断裂的接头强度最高.当连接工艺适当,陶瓷本身性能稳定时,随着接头中残余热应力的减小,界面结合强度的提高,接头断裂从界面断裂向混合型断裂和反应层断裂转变.

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1陶瓷/金属连接技术的发展概况

1.1.1粘合剂粘接

1.1.2机械连接

1.1.3熔焊

1.1.4钎焊

1.1.5固相扩散连接

1.1.6自蔓延高温合成(SHS)连接

1.1.7部分瞬间液相连接

1.1.8其他连接方法

1.2陶瓷/金属连接材料

1.2.1钎焊连接材料

1.2.2固相扩散连接中间层材料

1.2.3部分瞬间液相连接中间层材料

1.2.4自蔓延高温合成法中间层材料

1.3界面反应

1.3.1界面反应机理

1.3.2界面反应层生长动力学

1.3.3界面结构

1.4连接接头的残余应力及其缓解

1.5耐高温陶瓷接头连接中存在的问题

1.6本文研究的目的、意义和研究内容

第2章试验材料和试验方法

2.1试验材料

2.1.1陶瓷材料

2.1.2 Inconel600镍基高温合金

2.1.3连接材料

2.2试验设备及试验方法

2.2.1真空扩散焊设备

2.2.2热分析

2.2.3 Si3N4陶瓷/Incone1600高温合金连接试验

2.2.4连接接头力学性能测试

2.3 Si3N4/Inconel600接头与断后的检测和分析

2.3.1接头与断口的SEM检测

2.3.2接头与断口的EPMA分析

2.3.3接头与断口的XRD分析

第3章Si3N4/Inconel600的部分液相扩散连接

3.1序言

3.2中间层材料的确定

3.2.1试验条件

3.2.2试验结果

3.2.3分析与讨论

3.3 Si3N4/Incone1600的PLPDB机理

3.3.1中间层材料的设计

3.3.2基于Nb/Cu/Ni中间层的Si3N4/Inconel600 PLPDB机理

3.3.3 Si3N4/Nb/Cu/Ni/Inconel600 PLPDB的特点

3.4中间层材料的成分设计

3.4.1高温热循环对陶瓷强度的影响

3.4.2中间层材料厚度对接头强度的影响

3.5本章小结

第4章连接工艺对Si3N4/Inconel600接头性能的影响

4.1连接温度对接头性能的影响

4.1.1试验材料和连接工艺

4.1.2试验结果与分析

4.2连接压力对接头性能的影响

4.2.1试验材料和连接工艺

4.2.2试验结果与分析

4.3连接时间对接头性能的影响

4.3.1试验材料和连接工艺

4.3.2试验结果与分析

4.4冷却速度对接头性能的影响

4.4.1试验材料和连接工艺

4.4.2试验结果与分析

4.5本章小结

第5章Si3N4/Inconel600接头界面反应机理研究

5.1 Si3N4/Inconel600接头界面的微观形貌和元素分布

5.2 Si3N4/中间层界面物相分析

5.4界面反应层的生长规律

5.5本章小结

第6章Si3N4/Inconel600接头的残余应力与断裂

6.1陶瓷/金属连接的残余热应力分析

6.2金属材料的热弹塑性本构方程

6.2.1材料中的弹性应变

6.2.2材料中塑性应变

6.3 Si3N4/Inconel600接头有限元分析模型

6.4 Si3N4/Inconel600接头的残余应力及其影响因素

6.4.1残余应力的大小与分布

6.4.2接头残余应力的影响因素

6.5陶瓷/金属接头裂纹扩展路径和剪切断口形貌

6.5.1陶瓷/金属接头裂纹扩展路径

6.5.2 Si3N4/Inconel600接头断口分析

6.6本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文