氧化物陶瓷与不锈钢的焊接工艺研究
发布时间：2022-01-01 09:58
金属和陶瓷的组合件具有陶瓷和金属的两者的优异性能,因此两者的结合在制造业运用广泛,大到航空航天中作为空间站的外层结构、空间运输工具,小到用于汽车的涡轮增压转子、火花塞以及各种绝缘组件,而其中最常用的陶瓷有氧化物陶瓷和氮化物陶瓷,金属常使用不锈钢与钛合金。特别是Al2O3陶瓷因其具有较低的热膨胀系数、较高的热导率及优异的电绝缘性能,而且具有高强度、高硬度、极好的耐磨性、耐蚀性、耐高温等机械性能得到广泛应用。而ZrO2陶瓷化学稳定性及抗氧化性能好,热导率小,具有良好的抗冲击性、可烧结性等特点,广泛应用于航空航天、生物医疗等领域,是一种非常有前景的陶瓷材料。奥氏体不锈钢因其在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能等特点受到积极的关注。基于这以上材料的优异性能,本课题遂选取Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷、奥氏体不锈钢作为研究异质材料焊接的对象。在陶瓷与金属焊接的过程中,由于两者的热膨胀系数差异大、焊接接头的残余应力大,导致接头的力学性能低。减缓焊接接头中的...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni泡沫的微观结构[5]
?幕?硎且蛭?捎谥?中瓮及傅?存在，使得钎焊连接的面积增大，残余应力小，钉扎效果强[8]。ZhangY等人通过控制激光参数调整Al2O3陶瓷上的凹槽尺寸，使用AgCuTi钎料，将304不锈钢与陶瓷焊接，得到66MPa的接头强度，是平界面的2.75倍，通过有限元数据模拟分析得出是由于周期性的表面图案引起的残余应力重新分布增强了接头的强度。沟槽会使界面残余应力突然发生改变，从拉应力骤变为压应力，阻止了裂纹的扩展从而提高接头的强度。同时得出测试方向不同剪切强度亦不同，沿着线条的方向和垂直于线条的方向均有较大的差异[9]。图1-2焊接接头界面图示[8]Fig.1-2Schematicdiagramoftheweldedjointinterface[8]1.2.3先进工艺条件先进工艺条件通过先进的技术降低焊接的温度或者减少总热量的输入，比如使用低熔点焊料或者使用局部热源，或者使用闪烧焊接技术（电流辅助焊接技术）。目前工业常见的低熔点焊料为Au80Sn20(280℃)、Sn97Cu3(300℃)、Sn77.2In20Ag2.8(187℃)、AgCuSn(218℃)、Au88Ge12(316℃)，可在较低温度下将样品焊接。仇奇文等人通过使用惰性的Ag-Cu和Ag-Cu+B的复合钎料实现了Al2O3和Ti-6Al-4V合金的焊接，发现合金中Ti的溶解是获得良好接头的关键因素，而且加入了B之后接头处的残余应力降低，使得接头断裂模式得到变化[10]；黄晓克等人使用Ag－n(CuO)x钎料对ZrO2陶瓷和310S不锈钢在空气中进行了反应钎焊，接头强度达到69MPa，但不锈钢与界面处的氧化物反应层与陶瓷的热膨胀系数不匹配，残余应力大，使剪切强度降低[11]；刘多等人采用有限元数值模拟的方法研究了AgCuTi钎料钎焊紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构的残余应力分布情况，不锈钢与陶瓷侧的拉应力是造成该接头强度降低的主要因素，且生成的连续的TiO是接头薄弱区[12]；FuW使用在SAC焊
111.3.1含能多层膜的形式含能反应物中对仪器、环境要求最小的就是含能反应多层膜，一方面含能反应多层膜可以充当局部热源[17]，对局部进行瞬间急剧的升温，另一方面还可以充当焊接的成分，这种多层膜有多种形式，平面多层膜、垂直多层膜[18,19]、球壳状多层膜[20]。其中研究最多的是平面多层膜，在微米级或纳米级厚度的堆叠薄箔或薄膜中发生纳米级金属间或铝热反应。它们通常是通过在基板上使用磁控溅射的金属气相沉积技术制备的，并且一些实验试验已经发现，高放热反应波的自持传播具有每秒几十米的高传播速度。而且这些多层的高能薄膜结构开发出被用作显着改善小型点火装置中的次级高能材料的点火性能的方式。近年来，已经进行了各种各样的研究和开发尝试，试图将这种反应性的铝热剂或金属间化合物的高能概念集成到基于MEMS的引发器中，以增强炸药爆炸和推进剂点火的性能。因此含能平面多层膜在军事和工业领域具有许多潜在的应用，例如环保的无铅引爆剂和雷管，焊接或连接，临床用热源等。图1-3多层膜的形式[21]Fig.1-3Theformofmultilayerfilm[21]1.3.2含能多层膜的制备方法多层膜由于其独特的交替层状结构和性质，对于制备的方法也有独特的要求。要求在生长过程中有完整的单层膜存在，尽量少的形成金属间化合物；沉积过程中温度较低，避免反应多层膜自燃；重复性高，能在长时间内制备均匀的膜层。目前常见的多层膜的制备方法有机械轧制、蒸发镀膜、磁控溅射镀膜等。蒸发镀膜：蒸发镀膜是在较高真空下，把蒸发源放在坩埚里，基底放置于坩埚的上方，通过对蒸发源加热，使其以原子或者分子的形式增发，最终在基底表面上凝结成膜，可以通过改变蒸发速率、蒸发源与基底的距离来调整薄膜的厚度。蒸发镀膜的西南科技大学硕士论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]ZrO2陶瓷与310S不锈钢反应空气钎焊接头的组织与性能[J]. 黄晓克,汪选国. 焊接技术. 2018(05)
[2]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层膜的力学和摩擦学性能[J]. 戴剑锋,史鑫,吴贵智,张广安. 兰州理工大学学报. 2018(02)
[3]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)
[4]陶瓷材料闪烧技术研究进展[J]. 傅正义,季伟,王为民. 硅酸盐学报. 2017(09)
[5]Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的应变率敏感性[J]. 王尧,朱晓莹,刘贵民,杜军. 金属学报. 2017(02)
[6]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能[J]. 史鑫,戴剑锋,吴贵智,张广安,陈建敏. 中国表面工程. 2016(03)
[7]不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性[J]. 王尧,朱晓莹,杜军,刘贵民. 中国表面工程. 2016(03)
[8]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[9]铜和氧化铝瞬间液相连接用的AiNi微纳多层膜的特性（英文）[J]. 易江龙,张宇鹏,胡海春,王昕昕,陈和兴,代明江. 稀有金属材料与工程. 2014(11)
[10]热处理对[NiFe/Cu/Co/Cu]n多层纳米线磁性能的影响[J]. 张卫国,马晓龙,许琰,姚素薇,王宏智. 物理化学学报. 2014(04)
博士论文
[1]Al2O3-TiC复合陶瓷/钢扩散焊接头微观结构及断裂研究[D]. 黄万群.山东大学 2012
硕士论文
[1]含能多层膜的制备及电爆炸性能研究[D]. 邱林俊.西南科技大学 2016
[2]Cu/Ni多层纳米线的制备及磁性能研究[D]. 李伟祥.天津大学 2007
本文编号：3562139
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni泡沫的微观结构[5]
?幕?硎且蛭?捎谥?中瓮及傅?存在，使得钎焊连接的面积增大，残余应力小，钉扎效果强[8]。ZhangY等人通过控制激光参数调整Al2O3陶瓷上的凹槽尺寸，使用AgCuTi钎料，将304不锈钢与陶瓷焊接，得到66MPa的接头强度，是平界面的2.75倍，通过有限元数据模拟分析得出是由于周期性的表面图案引起的残余应力重新分布增强了接头的强度。沟槽会使界面残余应力突然发生改变，从拉应力骤变为压应力，阻止了裂纹的扩展从而提高接头的强度。同时得出测试方向不同剪切强度亦不同，沿着线条的方向和垂直于线条的方向均有较大的差异[9]。图1-2焊接接头界面图示[8]Fig.1-2Schematicdiagramoftheweldedjointinterface[8]1.2.3先进工艺条件先进工艺条件通过先进的技术降低焊接的温度或者减少总热量的输入，比如使用低熔点焊料或者使用局部热源，或者使用闪烧焊接技术（电流辅助焊接技术）。目前工业常见的低熔点焊料为Au80Sn20(280℃)、Sn97Cu3(300℃)、Sn77.2In20Ag2.8(187℃)、AgCuSn(218℃)、Au88Ge12(316℃)，可在较低温度下将样品焊接。仇奇文等人通过使用惰性的Ag-Cu和Ag-Cu+B的复合钎料实现了Al2O3和Ti-6Al-4V合金的焊接，发现合金中Ti的溶解是获得良好接头的关键因素，而且加入了B之后接头处的残余应力降低，使得接头断裂模式得到变化[10]；黄晓克等人使用Ag－n(CuO)x钎料对ZrO2陶瓷和310S不锈钢在空气中进行了反应钎焊，接头强度达到69MPa，但不锈钢与界面处的氧化物反应层与陶瓷的热膨胀系数不匹配，残余应力大，使剪切强度降低[11]；刘多等人采用有限元数值模拟的方法研究了AgCuTi钎料钎焊紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构的残余应力分布情况，不锈钢与陶瓷侧的拉应力是造成该接头强度降低的主要因素，且生成的连续的TiO是接头薄弱区[12]；FuW使用在SAC焊
111.3.1含能多层膜的形式含能反应物中对仪器、环境要求最小的就是含能反应多层膜，一方面含能反应多层膜可以充当局部热源[17]，对局部进行瞬间急剧的升温，另一方面还可以充当焊接的成分，这种多层膜有多种形式，平面多层膜、垂直多层膜[18,19]、球壳状多层膜[20]。其中研究最多的是平面多层膜，在微米级或纳米级厚度的堆叠薄箔或薄膜中发生纳米级金属间或铝热反应。它们通常是通过在基板上使用磁控溅射的金属气相沉积技术制备的，并且一些实验试验已经发现，高放热反应波的自持传播具有每秒几十米的高传播速度。而且这些多层的高能薄膜结构开发出被用作显着改善小型点火装置中的次级高能材料的点火性能的方式。近年来，已经进行了各种各样的研究和开发尝试，试图将这种反应性的铝热剂或金属间化合物的高能概念集成到基于MEMS的引发器中，以增强炸药爆炸和推进剂点火的性能。因此含能平面多层膜在军事和工业领域具有许多潜在的应用，例如环保的无铅引爆剂和雷管，焊接或连接，临床用热源等。图1-3多层膜的形式[21]Fig.1-3Theformofmultilayerfilm[21]1.3.2含能多层膜的制备方法多层膜由于其独特的交替层状结构和性质，对于制备的方法也有独特的要求。要求在生长过程中有完整的单层膜存在，尽量少的形成金属间化合物；沉积过程中温度较低，避免反应多层膜自燃；重复性高，能在长时间内制备均匀的膜层。目前常见的多层膜的制备方法有机械轧制、蒸发镀膜、磁控溅射镀膜等。蒸发镀膜：蒸发镀膜是在较高真空下，把蒸发源放在坩埚里，基底放置于坩埚的上方，通过对蒸发源加热，使其以原子或者分子的形式增发，最终在基底表面上凝结成膜，可以通过改变蒸发速率、蒸发源与基底的距离来调整薄膜的厚度。蒸发镀膜的西南科技大学硕士论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]ZrO2陶瓷与310S不锈钢反应空气钎焊接头的组织与性能[J]. 黄晓克,汪选国. 焊接技术. 2018(05)
[2]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层膜的力学和摩擦学性能[J]. 戴剑锋,史鑫,吴贵智,张广安. 兰州理工大学学报. 2018(02)
[3]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)
[4]陶瓷材料闪烧技术研究进展[J]. 傅正义,季伟,王为民. 硅酸盐学报. 2017(09)
[5]Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的应变率敏感性[J]. 王尧,朱晓莹,刘贵民,杜军. 金属学报. 2017(02)
[6]多弧离子镀沉积Ti/TiN多层薄膜的摩擦磨损及电化学性能[J]. 史鑫,戴剑锋,吴贵智,张广安,陈建敏. 中国表面工程. 2016(03)
[7]不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性[J]. 王尧,朱晓莹,杜军,刘贵民. 中国表面工程. 2016(03)
[8]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[9]铜和氧化铝瞬间液相连接用的AiNi微纳多层膜的特性（英文）[J]. 易江龙,张宇鹏,胡海春,王昕昕,陈和兴,代明江. 稀有金属材料与工程. 2014(11)
[10]热处理对[NiFe/Cu/Co/Cu]n多层纳米线磁性能的影响[J]. 张卫国,马晓龙,许琰,姚素薇,王宏智. 物理化学学报. 2014(04)
博士论文
[1]Al2O3-TiC复合陶瓷/钢扩散焊接头微观结构及断裂研究[D]. 黄万群.山东大学 2012
硕士论文
[1]含能多层膜的制备及电爆炸性能研究[D]. 邱林俊.西南科技大学 2016
[2]Cu/Ni多层纳米线的制备及磁性能研究[D]. 李伟祥.天津大学 2007
本文编号：3562139
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