基于接头残余应力调控的BN/TC4钎焊研究
发布时间：2021-02-04 10:58
六方BN陶瓷具有优良的耐热性、介电性、耐化学腐蚀性等特点,被应用于机械、冶金、航天等领域,但该种BN的强度和硬度较其他陶瓷低,限制了其应用范围。钛合金特别是TC4,综合性能优越,在诸多工业部门占有重要地位。实现BN与TC4的可靠连接,能够使二者优势互补,扩大材料的适用领域。然而BN与TC4的弹性模量及热膨胀系数差异巨大,BN/TC4接头中存在的残余应力成为制约二者连接质量的关键因素。本文在实现BN/TC4钎焊连接的基础上,分析了接头中残余应力的分布,并对接头残余应力进行了调控。采用Ag-Cu中间钎料实现了BN/TC4真空钎焊连接,研究了不同钎焊温度对BN/TC4接头界面组织的影响规律,发现接头陶瓷侧界面产生明显的Ti-Cu反应层,该反应层促进了熔融钎料在陶瓷表面的润湿铺展。TC4侧由多层扩散反应层组成,典型接头中的物相变化由钎缝到母材为Cu4Ti+Cu Ti→Cu Ti→Cu Ti+Cu Ti3→Ti+Cu Ti3。结合二元、三元热力学计算及实际钎焊条件分析了界面元素的扩散行为及反应层形成机制。此外,分析了接头力学性能及...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BN的两种主要晶体结构[19]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-母材为钛合金的陶瓷/金属钎焊往往均属于活性钎焊的一类，因此在本节中选取一侧母材为钛合金，从钎焊和扩散焊来分类介绍与本文相关的国内外研究现状。1.2.1陶瓷与钛合金的真空钎焊连接哈尔滨工业大学的DaiX等[30]选用Ag-Cu钎料实现了TC4钛合金和ZrO2陶瓷的真空钎焊连接，研究者利用钛合金母材作为Ti源向钎缝中扩散Ti元素达到了活性钎焊的效果。如图1-2所示为TC4/ZrO2钎焊界面及元素能谱仪(EDS)面扫描分布，可以发现，钛合金母材中的Ti元素有明显向焊缝扩散的趋势并在陶瓷侧界面富集，配合Ag-Cu钎料中的合金元素在陶瓷侧界面形成了合金化反应层，提高了熔融钎料在陶瓷表面的润湿铺展。作者进一步通过热力学计算及透射电镜(TEM)等手段鉴定了界面反应层的物相组成：在陶瓷侧界面形成Cu3Ti3O+TiO复合反应层；在钛合金一侧形成Ti-Cu化合物层。但是，通过纳米压痕测量界面各个区域的硬度及弹性模量显示(图1-3)，陶瓷侧反应层具有较高的脆性，由于接头中存在残余应力，使该位置成为接头服役过程中的薄弱环节。图1-2TC4/ZrO2钎焊界面及元素面分布[30](a)TC4/ZrO2钎焊界面;(b-f)界面元素Ag,Cu,Ti,Al,Zr的EDS面分布
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3TC4/ZrO2钎焊接头各区域硬度及弹性模量[30]天津大学的孟建芳[31]利用Ag-Cu-Ti钎料实现了TC4钛合金与Si3N4陶瓷的真空钎焊连接，钎焊接头可以分为基体Si3N4陶瓷、陶瓷和钎料形成的反应层、钎料层、金属与钎料形成的合金层、基体TC4合金，通过热力学计算及EDS分析认为靠近陶瓷界面的反应层为TiN层及Ti5Si3层，而钛合金一侧形成以Ti-Cu金属间化合物为主的反应层。如图1-4所示为接头弯曲测试断裂形貌，失效位置位于陶瓷侧脆性反应层，同时伴有Si3N4颗粒分布于断口表面。作者进一步探究了钎焊温度和保温时间对接头性能的影响规律，控制焊接条件适宜可获得最优接头，温度及时间不充分时，陶瓷侧界面反应不足以润湿钎料；随温度及时间的提高，陶瓷侧反应层增厚，脆性特征表现显著，进而接头性能随之降低。此外，作者还尝试利用激光焊接连接TC4与Si3N4，但未能获得有效接头，说明钎焊的方法更适宜此种陶瓷/金属连接。图1-4Si3N4/TC4钎焊接头断口形貌[31](a)陶瓷侧;(b)钎缝侧哈尔滨工业大学的ShiJM等[32]尝试采用Ag-Cu-Ti钎料真空钎焊连接TC4钛合金与ZrC-SiC复合陶瓷，作者分析了接头的形成机制，如图1-5所示，在钎焊过程的前期，来自母材及钎料中的Ti元素将在浓度梯度驱动力下扩散并参与反应，在TC4表面及钎缝中形成一系列Ti-Cu化合物。随着Ti元素进一步扩散及钎焊温度的提升及保持，Ti元素与复合陶瓷中的少量SiC
【参考文献】：
期刊论文
[1]紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构钎焊接头残余应力研究[J]. 刘多,刘景和,周英豪,宋晓国,牛红伟,冯吉才. 材料工程. 2018(03)
[2]陶瓷材料激光增材制造的研究现状及展望[J]. 倪荣萍,钱滨,刘畅,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[3]基于飞秒激光的表面微纳加工技术综述与展望[J]. 董世运,刚肖,闫世兴,王斌. 装甲兵工程学院学报. 2016(03)
[4]氮化硼材料的性能、应用及其分析方法[J]. 杨起. 航空维修与工程. 2015(08)
[5]第一性原理研究c-BN和h-BN的弹性性质与电子结构[J]. 王宁,董磊,李德军. 天津师范大学学报(自然科学版). 2014(01)
[6]国外特种陶瓷发展新动向[J]. 王敏. 陶瓷科学与艺术. 2006(02)
[7]美国联邦政府先进材料与工艺技术计划简介[J]. 黄岗. 材料导报. 1993(05)
硕士论文
[1]Al2O3/不锈钢钎焊接头组织及应力调控机制研究[D]. 李昊岳.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于界面调控的铝/钢异种金属激光填丝熔钎焊工艺及机理研究[D]. 孟圣昊.哈尔滨工业大学 2017
[3]纳米钎料钎焊SiO2陶瓷与TC4钛合金工艺及机理研究[D]. 刘景和.哈尔滨工业大学 2017
[4]SiBCN陶瓷与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究[D]. 刘海.哈尔滨工业大学 2016
[5]TC4钛合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究[D]. 赵一璇.中国海洋大学 2015
本文编号：3018193
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BN的两种主要晶体结构[19]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-母材为钛合金的陶瓷/金属钎焊往往均属于活性钎焊的一类，因此在本节中选取一侧母材为钛合金，从钎焊和扩散焊来分类介绍与本文相关的国内外研究现状。1.2.1陶瓷与钛合金的真空钎焊连接哈尔滨工业大学的DaiX等[30]选用Ag-Cu钎料实现了TC4钛合金和ZrO2陶瓷的真空钎焊连接，研究者利用钛合金母材作为Ti源向钎缝中扩散Ti元素达到了活性钎焊的效果。如图1-2所示为TC4/ZrO2钎焊界面及元素能谱仪(EDS)面扫描分布，可以发现，钛合金母材中的Ti元素有明显向焊缝扩散的趋势并在陶瓷侧界面富集，配合Ag-Cu钎料中的合金元素在陶瓷侧界面形成了合金化反应层，提高了熔融钎料在陶瓷表面的润湿铺展。作者进一步通过热力学计算及透射电镜(TEM)等手段鉴定了界面反应层的物相组成：在陶瓷侧界面形成Cu3Ti3O+TiO复合反应层；在钛合金一侧形成Ti-Cu化合物层。但是，通过纳米压痕测量界面各个区域的硬度及弹性模量显示(图1-3)，陶瓷侧反应层具有较高的脆性，由于接头中存在残余应力，使该位置成为接头服役过程中的薄弱环节。图1-2TC4/ZrO2钎焊界面及元素面分布[30](a)TC4/ZrO2钎焊界面;(b-f)界面元素Ag,Cu,Ti,Al,Zr的EDS面分布
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3TC4/ZrO2钎焊接头各区域硬度及弹性模量[30]天津大学的孟建芳[31]利用Ag-Cu-Ti钎料实现了TC4钛合金与Si3N4陶瓷的真空钎焊连接，钎焊接头可以分为基体Si3N4陶瓷、陶瓷和钎料形成的反应层、钎料层、金属与钎料形成的合金层、基体TC4合金，通过热力学计算及EDS分析认为靠近陶瓷界面的反应层为TiN层及Ti5Si3层，而钛合金一侧形成以Ti-Cu金属间化合物为主的反应层。如图1-4所示为接头弯曲测试断裂形貌，失效位置位于陶瓷侧脆性反应层，同时伴有Si3N4颗粒分布于断口表面。作者进一步探究了钎焊温度和保温时间对接头性能的影响规律，控制焊接条件适宜可获得最优接头，温度及时间不充分时，陶瓷侧界面反应不足以润湿钎料；随温度及时间的提高，陶瓷侧反应层增厚，脆性特征表现显著，进而接头性能随之降低。此外，作者还尝试利用激光焊接连接TC4与Si3N4，但未能获得有效接头，说明钎焊的方法更适宜此种陶瓷/金属连接。图1-4Si3N4/TC4钎焊接头断口形貌[31](a)陶瓷侧;(b)钎缝侧哈尔滨工业大学的ShiJM等[32]尝试采用Ag-Cu-Ti钎料真空钎焊连接TC4钛合金与ZrC-SiC复合陶瓷，作者分析了接头的形成机制，如图1-5所示，在钎焊过程的前期，来自母材及钎料中的Ti元素将在浓度梯度驱动力下扩散并参与反应，在TC4表面及钎缝中形成一系列Ti-Cu化合物。随着Ti元素进一步扩散及钎焊温度的提升及保持，Ti元素与复合陶瓷中的少量SiC
【参考文献】：
期刊论文
[1]紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构钎焊接头残余应力研究[J]. 刘多,刘景和,周英豪,宋晓国,牛红伟,冯吉才. 材料工程. 2018(03)
[2]陶瓷材料激光增材制造的研究现状及展望[J]. 倪荣萍,钱滨,刘畅,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[3]基于飞秒激光的表面微纳加工技术综述与展望[J]. 董世运,刚肖,闫世兴,王斌. 装甲兵工程学院学报. 2016(03)
[4]氮化硼材料的性能、应用及其分析方法[J]. 杨起. 航空维修与工程. 2015(08)
[5]第一性原理研究c-BN和h-BN的弹性性质与电子结构[J]. 王宁,董磊,李德军. 天津师范大学学报(自然科学版). 2014(01)
[6]国外特种陶瓷发展新动向[J]. 王敏. 陶瓷科学与艺术. 2006(02)
[7]美国联邦政府先进材料与工艺技术计划简介[J]. 黄岗. 材料导报. 1993(05)
硕士论文
[1]Al2O3/不锈钢钎焊接头组织及应力调控机制研究[D]. 李昊岳.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于界面调控的铝/钢异种金属激光填丝熔钎焊工艺及机理研究[D]. 孟圣昊.哈尔滨工业大学 2017
[3]纳米钎料钎焊SiO2陶瓷与TC4钛合金工艺及机理研究[D]. 刘景和.哈尔滨工业大学 2017
[4]SiBCN陶瓷与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究[D]. 刘海.哈尔滨工业大学 2016
[5]TC4钛合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究[D]. 赵一璇.中国海洋大学 2015
本文编号：3018193
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