Al-,2-O-,3--TiC-W18Cr4V擴散連接界面結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布研究.pdf

1、Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷由于在Al2O3基體上添加了Tic增強顆粒,使其具有更高的硬度、強度和斷裂韌性,被廣泛應(yīng)用于切削刀具的制備。將Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷與W18Cr4V高速鋼用擴散焊方法連接起來制成復(fù)合構(gòu)件,對于改善結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)、拓寬Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷的使用范圍具有重要意義。
　　 本文采用真空擴散連接工藝,對Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷和W18Cr4V高速鋼的連接進(jìn)行了試驗研究。通過控制真空度1.33

2、×10-4～1.33×10-5Spa,連接溫度1080℃～1160℃,保溫時間30～60min,壓力10～20MPa,可獲得界面結(jié)合良好的Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接接頭。當(dāng)連接溫度1130℃、保溫時間45min、連接壓力15MPa時,Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接接頭的剪切強度達(dá)154MPa。
　　 用金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM)分析了Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散界面組織結(jié)構(gòu),研究了工藝參

3、數(shù)對界面結(jié)合狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,升高連接溫度和延長保溫時間,界面過渡區(qū)的寬度增加,顯微硬度增加,但沒有硬度高于Al2O3-TiC陶瓷的脆性相生成。用X射線衍射儀(XRD)分析了Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散接頭剪切斷口相組成,結(jié)果表明,斷口靠近Al2O3-TiC側(cè)主要存在著Al2O3、TiC、TiO和Ti3Al等相,斷口靠近W18Cr4V側(cè)主要有Al2O3、TiC、Cu、CuTi、CuTi2、Fe3W3C、FeTi等

4、相。
　　 本文提出Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散界面過渡區(qū)主要由Al2O3-TiC/Ti界面反應(yīng)層、Cu-Ti固溶體層、Ti/W18Cr4V界面Ti側(cè)反應(yīng)層和W18Cr4V鋼側(cè)反應(yīng)層組成。電子探針(EPMA)分析表明,Al2O3-TiC/Ti界面反應(yīng)層主要含Ti、Al、O；Cu-Ti固溶體層含Ti、Cu和少量Fe；Ti/W18Cr4V界面Ti側(cè)反應(yīng)層含Ti和C； W18Cr4V鋼側(cè)反應(yīng)層主要含Ti、Fe、W、C、Cr等

5、。Ti存在于Al2O3-TiC/W18Cr4V界面過渡區(qū)的多個反應(yīng)層中,與多種元素有共存區(qū),表明Ti與多種元素發(fā)生了反應(yīng),Ti是控制Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接接頭界面反應(yīng)的主要元素。
　　 Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散界面形成過程分四個階段:首先Ti-Cu-Ti中間層熔化形成Cu-Ti液相,填充Al2O3-TiC/W18Cr4整個界面；其次Cu-Ti液相中的Ti向Al2O3-TiC和W18Cr4V兩側(cè)擴

6、散并發(fā)生反應(yīng),使液相區(qū)進(jìn)一步增寬和成分均勻化；然后液相逐漸凝固,各界面間反應(yīng)生成多種化合物；最后是固相成分均勻化階段。對Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接過程的非對稱性進(jìn)行分析,提出Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接液相凝固過程的非對稱模型。對Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接界面反應(yīng)機理研究表明,擴散界面反應(yīng)形成了Al2O3-TiC/TiC+Tl3Al+TiO/CuTi+CuTi2+TiC/TiC+FeTi/F

7、e3W3C+α-Fe/W18Cr4V的界面結(jié)構(gòu)。
　　 對Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散連接接頭應(yīng)力分布進(jìn)行有限元計算,研究了工藝參數(shù)、中間層、試樣尺寸及形狀對接頭應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明,接頭邊緣界面附近應(yīng)力變化幅度很大,靠近接頭中心應(yīng)力分布很均勻。接頭最大軸向拉應(yīng)力位于接頭邊緣附近的陶瓷側(cè),最大剪切應(yīng)力位于接頭邊緣Ti/W18Cr4V界面處。降低加熱溫度和增大連接壓力會降低接頭軸向殘余拉應(yīng)力。使用Ti-Cu-Ti復(fù)合

8、中間層比使用純Ti中間層可以降低界面軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。增大試樣直徑和減小W18Cr4V鋼厚度可以減小軸向拉應(yīng)力。方形截面試樣四角的應(yīng)力值比同截面積圓形試樣的軸向拉應(yīng)力要大。
　　 對Al2O3-TiC/W18Cr4V擴散界面剪切斷裂進(jìn)行分析,界面裂紋擴展路徑可分為界面斷裂和混合斷裂,其中混合斷裂的接頭強度高于界面斷裂。通過控制擴散工藝參數(shù)可以控制界面斷裂的形式。界面剪切斷口形貌呈解理脆性斷裂特征,有明顯的解理臺階,也有少量的韌