TC4鈦合金與Si3N4陶瓷釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、目前，先進(jìn)的陶瓷材料因其所具備的優(yōu)異綜合性能而被廣泛應(yīng)用于航天航空以及尖端科技領(lǐng)域。其中Si3N4陶瓷因其在透波性和力學(xué)性能上的優(yōu)異表現(xiàn)而被視為最合適的新一代雷達(dá)天線罩材料，然而，在雷達(dá)天線罩的裝配和服役過程中需要實(shí)現(xiàn)陶瓷罩體與金屬支架的可靠連接。具有高比強(qiáng)度高比剛度，且耐熱耐腐蝕的TC4合金為當(dāng)前雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)支架的主要材料。但由于金屬材料與陶瓷材料本身物理性質(zhì)和力學(xué)性能上存在明顯的不同，實(shí)現(xiàn)其二者可靠且高效的連接成為了一個亟待解決的問

2、題。本課題旨在通過自制的納米Si3N4顆粒增強(qiáng)的AgCu基復(fù)合釬料實(shí)現(xiàn)TC4與Si3N4陶瓷的可靠連接，通過對釬焊接頭界面處的顯微組織和結(jié)構(gòu)的表征，分析了釬焊過程中釬料與母材之間的反應(yīng)機(jī)理，深入探討了釬焊溫度和保溫時間對釬焊接頭組織和性能的影響，并利用有限元分析的方法對接頭殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行分析。
　　參考復(fù)合材料的相關(guān)理論，為了緩解釬焊接頭處因母材熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及提高釬焊接頭的綜合性能，本課題通過機(jī)械球磨的方法

3、獲得了納米Si3N4顆粒增強(qiáng)的AgCu基復(fù)合釬料(AgCuC)，并應(yīng)用所制得的復(fù)合釬料成功的將TC4鈦合金和Si3N4陶瓷進(jìn)行連接，利用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、透射電鏡(TEM)等分析測試手段對釬焊接頭進(jìn)行表征得到其界面處典型的顯微組織結(jié)構(gòu)為:TC4/Ti-Cu IMC/Ag(s，s)+Ti-Cu IMC+ TiNP+ Ti5Si3P/TiN+Ti5Si3/Si3N4。用AgCuC釬料釬焊TC4/ Si3N4接頭的釬焊機(jī)理

4、可總結(jié)如下:在釬焊過程中，釬料中的Ti元素向母材中擴(kuò)散而TC4中的Ti元素向釬縫區(qū)域溶解，使得釬縫中的納米Si3N4顆粒與Ti元素充分反應(yīng)并形成了近于納米級別的TiN和Ti5Si3顆粒，而這些彌散分布的納米顆粒為Ti-Cu金屬間化合物的形成提供了形核質(zhì)點(diǎn)，使得釬縫區(qū)域中形成了類似于金屬基復(fù)合材料的均勻組織結(jié)構(gòu)。通過對TC4/Si3N4接頭釬焊機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)釬縫組織形成的過程中Ti元素的擴(kuò)散和溶解起到了至關(guān)重要的作用，且釬焊溫度、保溫時間

5、等工藝參數(shù)對釬焊接頭顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響較大。通過掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和萬能試驗(yàn)機(jī)等分析測試手段對不同釬焊工藝參數(shù)條件下的釬焊接頭界面處顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行檢測可知:當(dāng)釬焊溫度較低保溫時間較短時，釬焊接頭界面處的反應(yīng)層過薄而難以實(shí)現(xiàn)母材與釬料之間的牢固連接，當(dāng)釬焊溫度較高或保溫時間較長時，釬焊接頭界面處的反應(yīng)層和反應(yīng)相過度生長，使得釬焊接頭的脆性增加，不利于釬焊接頭的性能，只有當(dāng)釬焊工藝參數(shù)為在880℃下保溫1

6、0min時獲得釬焊接頭具有類似于復(fù)合材料的接頭界面組織且其在室溫下抗剪強(qiáng)度最大為78.4MPa，比使用傳統(tǒng)AgCu釬料釬焊TC4合金和Si3N4陶瓷的釬焊接頭抗剪強(qiáng)度有顯著提高。
　　通過分析復(fù)合釬料釬焊TC4/Si3N4陶瓷的釬焊機(jī)理，我們認(rèn)為TC4/AgCuC/Si3N4的釬焊接頭之所以具有較好的性能主要是由于釬焊接頭中彌散且均勻分布的納米級顆粒對釬焊接頭起到了彌散強(qiáng)化的作用，與此同時，復(fù)合釬料通過降低釬縫組織的熱膨脹系數(shù)來緩