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TiAl合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究

作　者: 宋晓国
导　师: 冯吉才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiAl合金 Si3N4陶瓷 钎焊 复合钎料 界面组织 抗剪强度
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


Si3N4陶瓷以其优异的力学性能及良好的透波性能成为下一代天线罩材料的首选，在天线罩装配和服役过程中，需实现罩体与金属的连接。TiAl合金具有高比强度和比刚度，良好的抗氧化性以及优异的高温力学性能。实现二者的连接制成应用于航空航天、武器装备等领域的构件，不仅可以减重而且能够提高服役温度。本课题旨在实现TiAl合金与Si3N4陶瓷的钎焊连接，通过试验确定了合适的钎料体系；基于界面反应产物的表征分析了钎焊过程中钎料与母材之间的反应，深入探讨了钎焊连接机理。根据复合强化理论，设计了纳米Si3N4颗粒增强的AgCuTi复合钎料，并采用该钎料实现了TiAl合金和Si3N4陶瓷的连接。通过界面结构的分析解明了钎焊过程中纳米颗粒的反应及弥散机理。采用有限元模拟及X射线应力分析的方法，对接头残余应力的分布进行了分析。开发了TiNiNb和TiNiV两种TiNi基高温共晶钎料，并采用这两种钎料围绕TiAl合金和Si3N4陶瓷进行了钎焊连接试验，成功实现了TiAl合金的高质量钎焊连接。通过SEM，EDS，TEM以及XRD等分析方法确定了TiAl/TiNiNb界面结构为：TiAl/B2+γ+O-Ti2AlNb/γ+τ3-Al3（Ti,Nb）2Ni+O-Ti2AlNb；TiAl/TiNiV界面结构为：TiAl/B2+γ/B2+τ3-Al3NiTi2+γ/B2+τ3-Al3NiTi2。采用TiNiNb钎料在1200°C和1220°C钎焊时获得的接头分别具有最高的室温及高温抗剪强度为308MPa和172MPa。采用TiNiNb和TiNiV钎料钎焊Si3N4陶瓷自身及TiAl合金时发现钎料与两侧母材均能发生冶金反应，并在钎缝中形成了连续的TiN、Ti-Si及Ni2Ti脆性化合物层。然而，在接头残余应力的作用下于脆性化合物中形成了贯穿钎缝的裂纹，即使采用Nb箔作为应力缓解层也无法实现TiAl合金和Si3N4陶瓷的可靠连接。采用具有塑性变形能力的AgCu共晶钎料实现了TiAl合金与Si3N4陶瓷的可靠连接。接头典型界面结构为：TiAl/B2/AlCuTi/AlCu2Ti/Ag（s,s）+AlCu2Ti/TiN+Ti5Si3+AlCu2Ti/Si3N4。钎焊过程中，活性元素Ti与陶瓷反应形成了连续的TiN+Ti5Si3反应层；一部分Cu与TiAl反应在TiAl侧形成了连续的AlCuTi及AlCu2Ti反应层。V与Al反应形成了弥散分布的细颗粒Al3V化合物，作为AlCu2Ti相析出的形核质点，导致了颗粒状AlCu2Ti相在钎缝中的弥散分布。基于试验结果，获得了TiN反应层成长的动力学方程。另外，在研究钎焊工艺对TiAl/AgCu/Si3N4界面结构的影响时发现，当钎焊温度较低或时间较短时，反应层厚度较薄，颗粒状AlCu2Ti化合物在Ag基体中弥散程度较差；当钎焊温度较高或时间较长时，反应层厚度显著增加，颗粒状AlCu2Ti化合物聚集长大，钎缝中出现裂纹。当钎焊工艺合适时（860°C/5min），在钎缝中形成了弥散分布的颗粒状AlCu2Ti化合物增强的Ag基复合材料组织。为了缓解接头残余应力及提高接头高温性能，采用机械球磨的方法制备了纳米Si3N4增强的AgCuTi复合钎料（AgCuTic），并采用该复合钎料成功实现了TiAl合金和Si3N4陶瓷的连接，接头典型界面结构为：TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9+TiN+Ti5Si3+Ag（s,s）/TiN+Ti5Si3/Si3N4。钎焊过程中，液相钎料中的Ti元素与纳米Si3N4反应形成了纳米尺寸的TiN和Ti5Si3颗粒，这些颗粒作为微米尺度Al4Cu9化合物的形核质点，使得钎缝中形成了微纳米颗粒增强的Ag基复合材料组织。研究发现Ti元素的溶解及扩散是Ag基复合材料组织钎缝形成的关键因素，基于试验结果，获得了880°C条件下TiAl合金的溶解厚度方程。复合钎料中增强相含量、钎焊温度、钎焊时间等工艺参数对接头界面结构和力学性能影响较大，当增强相含量为3wt.%，钎焊温度为880°C，钎焊时间为5min时，接头室温及高温（400°C）抗剪强度最大分别为115MPa和156MPa，比采用AgCuTi钎料获得的接头强度提高一倍。研究了复合钎料使用对接头性能改善的原因，一方面复合钎缝中弥散分布的细颗粒TiN及Ti5Si3化合物作为第二相通过剪切滞后、位错强化及Orowan强化等方式强化了Ag基体，提高了钎缝性能；另一方面通过降低钎缝的热膨胀系数在一定程度上缓解了接头残余应力，从而提高了接头室温及高温性能。接头残余应力有限元模拟结果表明：复合材料的使用对接头的应力分布形式影响不大，但减小了残余应力分布区域以及应力峰值。X射线应力分析表明：增强相含量为3wt.%时，Si3N4陶瓷表面压应力峰值降低70MPa左右，与模拟结果相吻合。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
Contents  11-14
第1章 绪论  14-39
  1.1 课题背景及意义  14
  1.2 TiAl基合金的研究现状  14-18
    1.2.1 TiAl基合金的发展  14-15
    1.2.2 TiAl基合金相组成及组织转变  15-17
    1.2.3 TiAl基合金的应用  17-18
  1.3 TiAl基合金的连接研究现状  18-28
    1.3.1 TiAl基合金的熔焊  18-19
    1.3.2 TiAl基合金的扩散焊  19-22
    1.3.3 TiAl基合金的摩擦焊  22-23
    1.3.4 TiAl基合金的钎焊  23-28
  1.4 Si_3N_4陶瓷的研究现状  28-29
  1.5 Si_3N_4陶瓷的连接研究现状  29-36
    1.5.1 Si_3N_4陶瓷的活性钎焊  29-31
    1.5.2 Si_3N_4陶瓷的固相扩散焊  31-33
    1.5.3 Si_3N_4陶瓷的瞬时液相扩散焊  33-35
    1.5.4 Si_3N_4陶瓷的玻璃焊  35-36
  1.6 复合钎料的研究进展及其应用  36-38
  1.7 本课题主要研究内容  38-39
第2章 试验材料和方法  39-44
  2.1 试验材料  39-41
    2.1.1 试验母材  39-40
    2.1.2 钎料的选择  40-41
  2.2 试验设备及工艺  41-42
    2.2.1 热分析设备  41
    2.2.2 钎焊设备  41
    2.2.3 钎焊过程  41-42
  2.3 钎焊接头组织分析及性能测试  42-44
    2.3.1 钎焊接头组织分析  42-43
    2.3.2 钎焊接头性能测试及断口分析  43-44
第3章 TiNi基钎料开发及钎焊接头组织结构和性能  44-71
  3.1 引言  44
  3.2 TiNi基钎料的显微组织  44-47
    3.2.1 TiNiNb钎料的显微组织  44-46
    3.2.2 TiNiV钎料的显微组织  46-47
  3.3 TiNi基钎料在连接母材表面的润湿性  47-50
    3.3.1 TiNi基钎料在TiAl合金表面的润湿性  47-49
    3.3.2 TiNi基钎料在Si_3N_4陶瓷表面的润湿性  49-50
  3.4 TiNi基钎料钎焊TiAl合金  50-62
    3.4.1 TiNiNb钎料钎焊高铌TiAl合金  50-56
    3.4.2 TiNiV钎料钎焊高钒TiAl合金  56-62
  3.5 TiNi基钎料钎焊Si_3N_4陶瓷  62-66
    3.5.1 TiNiNb钎料钎焊Si_3N_4陶瓷  62-64
    3.5.2 TiNiV钎料钎焊Si_3N_4陶瓷  64-66
  3.6 TiNi基钎料钎焊TiAl合金与Si_3N_4陶瓷  66-69
    3.6.1 直接钎焊TiAl合金和Si_3N_4陶瓷  66-67
    3.6.2 采用Nb箔作应力缓解层钎焊TiAl合金和Si_3N_4陶瓷  67-69
  3.7 本章小结  69-71
第4章 TiAl/AgCu/Si_3N_4钎料接头组织结构及性能  71-90
  4.1 引言  71
  4.2 TiAl/AgCu/Si_3N_4钎焊接头界面结构  71-75
  4.3 钎焊工艺参数对TiAl/AgCu/Si_3N_4接头界面组织结构的影响  75-78
    4.3.1 钎焊温度对TiAl/AgCu/Si_3N_4接头界面组织结构的影响  75-76
    4.3.2 钎焊时间对TiAl/AgCu/Si_3N_4接头界面组织结构的影响  76-78
  4.4 TiAl/AgCu/Si_3N_4钎焊接头组织演化及连接机理  78-87
    4.4.1 TiAl侧反应层组织演变  78-81
    4.4.2 Si_3N_4陶瓷侧反应层组织演变  81-84
    4.4.3 合金元素V在钎焊过程中的作用  84-85
    4.4.4 TiAl/AgCu/Si_3N_4钎焊接头形成过程  85-87
  4.5 钎焊工艺对TiAl/AgCu/Si_3N_4接头抗剪强度的影响  87-88
  4.6 本章小结  88-90
第5章 复合钎料开发及钎焊接头组织和性能  90-126
  5.1 引言  90
  5.2 复合钎料的成分及性能  90-92
  5.3 TiAl/AgCuTic/Si_3N_4钎焊接头界面结构  92-95
  5.4 钎焊工艺参数对TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头界面结构的影响  95-99
    5.4.1 增强相含量对TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头界面结构的影响  95-97
    5.4.2 钎焊温度对TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头界面结构的影响  97-98
    5.4.3 钎焊时间对TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头界面结构的影响  98-99
  5.5 TiAl/AgCuTic/Si_3N_4钎焊接头组织演化及连接机理  99-105
  5.6 液相钎料对TiAl合金母材的溶解行为  105-109
    5.6.1 TiAl合金溶解的物理模型  106-108
    5.6.2 溶解方程中未知系数的确定  108-109
  5.7 钎焊工艺对TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头性能的影响  109-113
  5.8 TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头钎缝强化机制  113-116
    5.8.1 剪切滞后  113
    5.8.2 位错强化  113-114
    5.8.3 Orowan强化  114-116
  5.9 TiAl/AgCuTic/Si_3N_4接头残余应力  116-125
    5.9.1 钎焊接头有限元模型网格划分、初始条件及边界条件  116-118
    5.9.2 钎焊接头残余应力有限元分析  118-125
  5.10 本章小结  125-126
结论  126-128
参考文献  128-140
攻读博士学位期间发表的论文及专利  140-143
致谢  143-144
个人简历  144

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 钎焊
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