ZAT陶瓷与TC4钛合金真空钎焊工艺与机理研究

摘要

氧化锆增韧的氧化铝陶瓷（ZTA）因具有良好的耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性和耐高温等特点，在航空、医疗等领域有着很好的应用前景。但由于陶瓷本身具有高硬度、脆性大等特点，很难被加工成复杂的形状。通过钎焊的方法把陶瓷本身或陶瓷和金属焊接成想要的形状，既避免了机械加工又可以发挥陶瓷和金属各自的优点。TC4钛合金具有比强度高、耐热性好及与人体相容性好等特点，在医疗、航空航天等领域得到了广泛的应用。综上所述，ZTA陶瓷/TC4钛合金异种接头在医疗、航空航天等领域将有着广阔的应用空间。但是，用普通的金属钎料钎焊金属和陶瓷时往往会因金属和陶瓷热膨胀系数不匹配等原因导致焊后接头中存在较大残余热应力的问题，从而使接头强度降低。本课题首先用常规的AgCu28钎料对ZTA陶瓷和TC4钛合金进行了钎焊，研究工艺参数对接头微观组织及力学性能的影响。然后，试图通过制备具有较低热膨胀系数、较高强度的硼酸铝晶须增强的银基复合钎料来解决因热膨胀系数差异导致接头强度降低的问题。针对晶须增强相在钎焊过程中易与钎料中活性元素发生化学反应及陶瓷侧连接效果不理想等的问题，本课题提出通过控制界面反应及更换基体钎料的方法，来改善ZTA陶瓷与TC4合金钎焊接头连接质量。　　采用粉末状AgCu28钎料在不同温度下真空钎焊了ZTA陶瓷和TC4钛合金，通过SEM与EDS等手段对接头微观组织进行了表征及分析。研究了典型焊缝微观结构及钎焊温度对焊缝微观组织及接头力学性能的影响。结果表明：ZTA/AgCu28/TC4接头的典型微观结构为：TC4钛合金/α-βTi/Ti-Cu金属间化合物/Ag(s,s)/Ti3(Cu,Al)3O+TixOy/ZTA陶瓷。随着钎焊温度升高陶瓷侧的Ti3(Cu,Al)3O+TixOy反应层厚度增加、Ti-Cu金属间化合物逐渐向钛合金侧聚集且α-βTi+Ti-Cu金属间化合物反应层的厚度增加、焊缝中银基体减少。接头抗剪强度随钎焊温度的升高呈先升高后下降的趋势，在825℃达到最大值54MPa。Ti3(Cu,Al)3O和Ti-Cu金属间化合物都属于脆硬性组织，厚度过高会在组织内部产生裂纹导致力学性能下降。因此，当钎焊温度过高时，由于Ti3(Cu,Al)3O和Ti-Cu金属间化合物过度长大导致接头抗剪强度下降。　　采用硼酸铝晶须做增强相配制了不同硼酸铝晶须含量的AgCu28+Al18B4O33w复合钎料，用此钎料在875℃/10min的参数下真空钎焊了ZTA陶瓷和TC4钛合金。研究了晶须含量和钎焊温度对焊缝微观组织及接头力学性能的影响。实验结果表明，随着晶须含量的增加接头性能先升高后降低，当晶须含量为2wt%时，接头抗剪切强度最高为45MPa。这是因为晶须含量过高，导致陶瓷侧的界面反应不充分，未形成可靠连接。用晶须含量为2wt%AgCu28+Al18B4O33w钎料在不同温度下钎焊了ZTA陶瓷和TC4钛合金。用SEM与EDS等手段对接头微观组织进行了表征及分析。研究发现，钎焊过程中活性元素Ti和硼酸铝晶须发生反应生成了Ti3(Cu,Al)3O相，消耗了部分晶须，使焊缝中晶须含量减少。825℃/10min时典型焊缝结构为：TC4钛合金/α-βTi/Ti-Cu金属间化合物/Ag(s,s)+Al18B4O33w+Ti3(Cu,Al)3O/Ti3(Cu,Al)3O+TixOy/ZTA陶瓷。随着钎焊温度的升高，除了其特有的焊缝中晶须含量减少、Ti3(Cu,Al)3O增多并逐渐发生聚集外，焊缝中其他组织变化和ZTA/AgCu28/TC4接头类似。接头抗剪切强度随钎焊温度升高，先升高后降低，在850℃达到最大值56MPa。相比ZTA/AgCu28/TC4接头的54MPa提升幅度不明显。造成这种现象的原因有两个：第一，晶须的加入影响了陶瓷界面的反应，导致陶瓷界面反应不充分，从而不能形成可靠连接；第二，Ti原子和晶须反应，消耗了大量晶须，使焊缝中晶须含量减少，特别是钎焊温度较高时，焊缝中晶须几乎消失，晶须的增强效果被削弱。　　采用化学镀的方法在硼酸铝晶须表面涂覆一层Cu来减缓钎焊过程中Ti原子和晶须的反应。用AgCuTi2钎料代替AgCu28钎料做复合钎料的基体钎料，为陶瓷界面提供更多Ti原子，促使界面反应充分发生。配制了晶须含量为2wt%的AgCuTi2+Al18B4O33w（镀铜）复合钎料。分别用AgCuTi2钎料和AgCuTi2+Al18B4O33w（镀铜）复合钎料在不同温度下真空钎焊了ZTA陶瓷和TC4钛合金。对钎焊完成后接头做了微观组织观察和抗剪切强度测试。研究了晶须表面镀铜、钎料中的Ti元素及钎焊温度对焊缝微观组织及接头力学性能的影响。结果表明，晶须表面镀铜以后，即使使用了含Ti的AgCuTi2钎料，在相同钎焊工艺参数下，焊缝中有更多晶须被保留了下来。随着钎焊温度升高ZTA/AgCuTi2/TC4接头及ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（Cu）/TC4接头焊缝微观组织及接头抗剪切强度的变化规律和ZTA/AgCu28+Al18B4O33w/TC4接头及ZTA/AgCu28/TC4接头相似。ZTA/AgCuTi2/TC4接头和ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（Cu）/TC4接头的抗剪强度分别在875℃和900℃达到最大值，最大值分别为58MPa和79MPa。其中，ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（Cu）/TC4接头的最大抗剪强度相对ZTA/AgCu28/TC4接头和ZTA/AgCu28+Al18B4O33w/TC4接头分别提升了46%和41%。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 Al2O3陶瓷的连接研究现状

1.2.2 ZrO2陶瓷的连接研究现状

1.2.3 ZTA陶瓷的连接研究现状

1.2.4 含增强体的复合钎料的研究现状

1.2.5 硼酸铝晶须应用的研究现状

1.3 本课题研究内容

2 实验材料、设备及方法

2.1.1 母材

2.1.2 钎料

2.1.3 其他材料

2.2 试验设备及过程

2.2.1 ZTA陶瓷/TC4合金连接设备

2.2.2 实验过程

2.3.1 微观组织分析

2.3.2 力学性能测试

3 ZTA/AgCu28/TC4接头微观组织及力学性能

3.1 引言

3.2 ZTA/AgCu28/TC4接头焊缝微观组织分析

3.3 钎焊温度对ZTA/AgCu28/TC4接头微观组织的影响

3.4 钎焊温度对ZTA/AgCu28/TC4接头力学性能的影响

3.5 ZTA/AgCu28/TC4接头连接机理

3.6 本章小结

4 ZTA/AgCu28+Al18B4O33/TC4接头微观组织及力学性能

4.1 引言

4.2 ZTA/AgCu28+Al18B4O33/TC4接头微观组织分析

4.3 Al18B4O33w含量对ZTA/AgCu28+Al18B4O33w/TC4接头微观组织的影响

4.4 钎焊温度对ZTA/AgCu28+Al18B4O33/TC4接头微观组织的影响

4.5 ZTA/AgCu28+Al18B4O33/TC4接头力学性能分析

4.6 ZTA/AgCu28+Al18B4O33w/TC4钎焊接头形成机理分析

4.7 本章小结

5 ZTA/AgCuTi2/TC4接头和ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（镀铜）接头微观组织及力学性能

5.1 前言

5.2 晶须的涂覆

5.3 钎焊温度对ZTA/AgCuTi2/TC4接头微观组织的影响

5.4 钎焊温度对ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（镀铜）/TC4接头微观组织的影响

5.5 ZTA/AgCuTi2/TC4接头及ZTA/AgCuTi2+Al18B4O33w（镀铜）/TC4接头力学性能分析

5.6 晶须增强机理分析

5.7 本章小结

6 结论

参考文献

附录

A. 学位论文数据集:

致谢