Al2O3陶瓷的反應金屬化及其與5A05合金擴散釬焊機理研究.pdf

1、Al2O3陶瓷與鋁合金復合構件在電力電子、航空航天、能源交通等領域具有廣闊的應用前景。但是，Al2O3陶瓷與鋁合金本身都是焊接性較差的材料。二者的連接不僅要解決陶瓷潤濕性差、接頭殘余應力大等陶瓷與金屬連接的共性問題，而且受鋁合金熔點的限制，目前陶瓷與金屬連接常用的活性釬焊方法不能使用。本文針對Al2O3陶瓷與鋁合金高致密封接的迫切要求，提出了Al2O3陶瓷先反應金屬化再與鋁合金擴散釬焊的連接方法，研究接頭形成機理，實現了接頭成型的精確控

2、制，獲得了高質量的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金連接結構。
　　Al2O3陶瓷反應金屬化，即在Al2O3陶瓷待連接表面預置反應金屬（含有可與陶瓷反應的活性元素及可與Al發(fā)生共晶反應的元素），利用活性元素與陶瓷的反應實現金屬化層與陶瓷的結合。以反應金屬化后外層金屬固溶體為中間層，實現反應金屬化的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金的擴散釬焊。
　　反應金屬化是實現 Al2O3陶瓷與5A05鋁合金高致密封接的第一步。為獲得良好的反應金

3、屬化質量，從材料設計和工藝控制兩方面入手，設計反應金屬成分，考察工藝參數的影響。確定了反應金屬的添加形式為TiH2+AgCu共晶+B混合粉末，合適的B含量為0.9~2.3wt.％，相應Ti含量為5.8~12wt.%。較佳的反應金屬化溫度為880～900℃，反應金屬化時間5～20min，形成 Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ag(s.s)+Cu(s.s)+TiB+Ti-Cu化合物的反應金屬化結構。
　　反應金屬化后陶瓷側界面反應層的

4、厚度直接影響 Al2O3陶瓷與5A05鋁合金接頭的性能，反應層不連續(xù)或是厚度太小，不足以形成良好的連接，不能保證界面的致密，厚度太大，則反應層自身會產生缺陷，造成性能下降。在分析Al2O3陶瓷反應金屬化物理過程的基礎上，建立了工藝上可控參數（如反應金屬成分、添加量，反應金屬化溫度、時間等）與界面反應層及外層金屬厚度之間的關系，為整個連接過程的控制邁出第一步。
　　在反應金屬化后的Al2O3陶瓷與5A05鋁合金擴散釬焊過程中，必須控

5、制5A05鋁合金的溶解量。溶解量太小，去膜動力不足，鋁合金表面氧化膜就會成為連接的障礙，造成接頭不致密；溶解量太大，又會導致接頭溶蝕，特別是對于本課題中的薄壁鋁管，甚至會造成鋁管的蝕穿。由于TiB不與鋁合金發(fā)生反應，所以實現5A05鋁合金擴散釬焊的中間層是反應金屬化 Al2O3陶瓷外層中的Ag、Cu基固溶體。以5A05/AgCu/5A05體系作為研究對象，闡明鋁合金擴散釬焊的物理過程，建立5A05鋁合金溶解量的數學模型，為反應金屬化Al

6、2O3陶瓷與5A05鋁合金的擴散釬焊提供理論指導。
　　在共晶溫度附近將 Al-Cu-Ag三元體系處理為 Al-AgCu偽二元體系。結合Al-Cu-Ag三元相圖，得到共晶溫度附近 Al元素的濃度分布。根據擴散定律及物質的連續(xù)性方程，分析了5A05母材/AlCuAg液相界面和AlCuAg液相/AgCu中間層界面的移動，建立了5A05鋁合金的溶解量與擴散釬焊溫度、保溫時間以及中間層厚度的關系模型。
　　在分析 Al2O3陶瓷反應

7、金屬化以及5A05鋁合金擴散釬焊的基礎上，以反應金屬化外層金屬固溶體厚度與擴散釬焊所需中間層厚度之間的關系為橋梁，提出了Al2O3陶瓷與5A05鋁合金高致密封接過程連接參數的優(yōu)化原則及方法。從Al2O3陶瓷與5A05鋁合金結構件的性能要求、結構形式出發(fā)，以控制Al2O3陶瓷側界面反應層厚度及5A05鋁合金溶解厚度為目的，合理選擇反應金屬成分、添加量、反應金屬化溫度、反應金屬化時間以及擴散釬焊溫度、擴散釬焊時間等參數，對 Al2O3陶瓷與