SiC陶瓷與Ti-6Al-4V合金超聲波輔助釬焊的潤(rùn)濕結(jié)合機(jī)制及工藝研究.pdf

1、SiC陶瓷和Ti-6Al-4V合金已成為結(jié)構(gòu)材料中重要組成部分。大尺寸復(fù)雜陶瓷構(gòu)件制備困難,同時(shí)為滿足某些特殊需求或充分發(fā)揮材料的性能需要將異種材料組合使用,為此陶瓷/陶瓷、陶瓷/合金等同種材料或異種材料的連接技術(shù)顯得尤為重要。本文采用超聲波輔助釬焊的工藝方法,并采用鋁基合金為主要釬料,在大氣低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了SiC/SiC、SiC/Ti-6Al-4V等接頭的釬焊連接。主要研究了鋪展?jié)櫇裥袨?、氧化膜破碎行為、界面溶蝕行為、界面結(jié)構(gòu)特征及超

2、聲波釬焊工藝等。
　　研究發(fā)現(xiàn)超聲波激勵(lì)下液態(tài)釬料在固態(tài)母材表面的鋪展行為存在共性特征。近鋪展邊緣液態(tài)釬料內(nèi)部的空化效應(yīng)使得該區(qū)域的釬料霧化形成大量的納米液滴,納米顆粒的尺寸小于150nm。納米液滴附著到鋪展外延區(qū)域的固體表面并發(fā)生表面氧化,其分布寬度大約為150μm。同時(shí)該區(qū)域液態(tài)釬料表面的氧化膜破碎發(fā)生液態(tài)釬料的局部微區(qū)鋪展,該鋪展行為在納米顆粒所覆蓋的固體表面進(jìn)行。納米液滴表面的氧化膜使其不能立刻湮滅于釬料內(nèi)部而呈現(xiàn)出逐步被

3、吞沒的現(xiàn)象,并在鋪展前沿形成液態(tài)釬料/納米顆粒/固體母材的結(jié)構(gòu)特征。該鋪展行為在微觀上表現(xiàn)出:鋪展于納米顆粒所覆蓋的固體表面,鋪展的不同步性,鋪展前沿的結(jié)合不完整性和逐步性。
　　通過研究超聲波作用液態(tài)Al-12Si與固體Ti-6Al-4V的相互作用行為發(fā)現(xiàn)固液界面處存在著聲致溶蝕行為。該溶蝕行為由尺寸小于25μm的獨(dú)立的溶蝕坑所構(gòu)成,溶蝕坑呈近半球形,邊緣處存在著斜坡。溶蝕坑的上部被氧化膜所覆蓋,并在中心部位存在著一個(gè)微小缺口,

4、溶蝕坑底部和側(cè)壁界面處形成Ti9Al23化合物,斜坡處界面形成Ti7Al5Si12化合物。隨超聲波時(shí)間延長(zhǎng)或振幅增加,溶蝕坑的密度增加,對(duì)溶蝕坑的尺寸影響很小。當(dāng)振幅增加到6.5μm時(shí),界面處出現(xiàn)由高密度溶蝕坑組成的大面積不規(guī)則溶蝕區(qū)域。溶蝕坑的形成是由于近界面液態(tài)釬料內(nèi)部空化氣泡崩潰時(shí)所產(chǎn)生一系列復(fù)雜效應(yīng)造成的。氧化膜的缺口是微射流沖擊造成的,它是液態(tài)釬料與Ti-6Al-4V相互作用的唯一通道。在高溫和聲流攪拌作用下,Ti-6Al-4

5、V基體通過氧化膜缺口向液態(tài)Al-12Si中過量地快速溶解,最后在溶蝕界面處形成Ti9Al23化合物。斜坡的形成是空化氣泡崩潰作用消失后高溫停留階段的潛流行為造成的,溶解緩慢且界面生成Ti7Al5Si12化合物。超聲波振幅增大時(shí)所出現(xiàn)的大面積不規(guī)則溶蝕區(qū)域是由于近界面空化氣泡簇崩潰所造成的。
　　針對(duì)Al-12Si/Ti-6Al-4V系統(tǒng)在超聲波作用后進(jìn)行保溫處理發(fā)現(xiàn),液態(tài)Al-12Si沿氧化膜與Ti-6Al-4V界面處對(duì)Ti-6A

6、l-4V進(jìn)行緩慢溶解,氧化膜脫離基體懸浮于液態(tài)釬料內(nèi)部。在超聲波4s保溫5min就能夠使得氧化膜完全脫離基體,同時(shí)平直界面處生成Ti7Al5Si12化合物,溶蝕坑內(nèi)部化合物結(jié)構(gòu)變化不大,只是在Ti9Al23/Ti-6Al-4V界面處生成一層Ti7Al5Si12化合物。延長(zhǎng)保溫時(shí)間至8min,界面處近Al-12Si側(cè)生成Ti9Al23化合物,且最終穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)為Al-12Si/Ti9Al23/Ti7Al5Si12/Ti-6Al-4V。二次

7、超聲波作用能夠破碎懸浮于液態(tài)釬料內(nèi)部的氧化膜,但是界面處化合物結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。Ti-6Al-4V的接頭強(qiáng)度可達(dá)107.4MPa。
　　超聲波釬焊連接SiC陶瓷時(shí),以純Al作為填充金屬,接頭強(qiáng)度可達(dá)~65MPa左右,開裂于接頭金屬內(nèi)部,但界面連續(xù)的Al4C3化合物是接頭的潛在威脅。采用Al-12Si釬料時(shí)界面平直,不存在化合物,且超聲波作用時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度影響不大,可達(dá)95MPa左右。接頭開裂接頭金屬內(nèi)部和近界面SiC陶瓷內(nèi)部,未

8、發(fā)現(xiàn)界面開裂現(xiàn)象。界面呈現(xiàn)三種結(jié)構(gòu)特征:Al-12Si/SiC、Al-12Si/SiO2非晶層/SiC、Al-12Si/納米顆粒/SiO2非晶層/SiC。非晶層SiO2是SiC陶瓷經(jīng)加熱后所形成表層氧化膜,其在超聲波空蝕效應(yīng)下可發(fā)生分解而去除,而當(dāng)SiO2層較厚時(shí),溶蝕處形成了鋁硅酸鹽Al2SiO5化合物。納米顆粒來自于液態(tài)釬料鉆縫鋪展時(shí)所形成,其與超聲波誘導(dǎo)鋪展時(shí)所形成納米顆粒一致。
　　在超聲波作用下,鋅基釬料能夠與SiC陶瓷

9、形成良好的潤(rùn)濕結(jié)合。采用Zn-8.5Al-1Mg釬料時(shí)發(fā)現(xiàn)隨超聲波時(shí)間延長(zhǎng)接頭強(qiáng)度增加,最高可達(dá)149MPa左右。超聲波作用時(shí)間較短時(shí),界面發(fā)生開裂,延長(zhǎng)超聲波時(shí)間發(fā)現(xiàn)SiC陶瓷內(nèi)部、界面及近界面金屬內(nèi)部均存在開裂行為。液態(tài)釬料中空化氣泡的崩潰能夠使得SiC表面的SiO2非晶層被微量溶蝕。隨超聲波時(shí)間的延長(zhǎng),溶蝕程度加劇,從而提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度。采用三層結(jié)構(gòu)的填充材料實(shí)現(xiàn)了具有低膨脹系數(shù)的高度復(fù)合化SiC陶瓷接頭。
　　采用Al

10、-12Si釬料釬焊連接SiC和Ti-6Al-4V時(shí),由于接頭殘余應(yīng)力較大發(fā)生SiC陶瓷內(nèi)部開裂。通過將Sn、Zn、Mg等元素加入Al-12Si釬料中制備了Al-15.5Sn-9.5Si-4.5Zn-0.5Mg釬料,能夠使得釬料的凝固溫度降低至186℃,主要是因?yàn)镾n與Al的固溶度非常小。采用該釬料超聲波釬焊連接SiC和Ti-6Al-4V,兩側(cè)界面均能夠?qū)崿F(xiàn)良好結(jié)合,并且未發(fā)生SiC陶瓷開裂現(xiàn)象。在186-561℃冷卻溫度區(qū)間內(nèi),釬料處于

11、半固態(tài),具有很好的變形能力,接頭兩側(cè)金屬可以自由收縮,因此可緩解接頭的殘余應(yīng)力,并通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)采用該釬料時(shí)能夠顯著降低接頭殘余應(yīng)力。接頭強(qiáng)度可達(dá)77.8MPa左右,斷裂于近SiC側(cè)接頭金屬內(nèi)部和Sn相/SiC陶瓷的界面。
　　以Al-12Si釬料作為填充合金,超聲波釬焊連接Ti-6Al-4V與1060Al時(shí)發(fā)現(xiàn),氧化膜與Ti-6Al-4V界面為接頭薄弱環(huán)節(jié),接頭強(qiáng)度大約為34.7MPa。懸浮于接頭金屬內(nèi)部的氧化膜以及界面化