基于多元離子復(fù)合滲鍍合金技術(shù)的陶瓷-金屬連接機理研究.pdf

1、陶瓷材料具有許多優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于動力機械、機械行業(yè)、航空航天、熱交換器以及大規(guī)模集成電路和電子元器件等方面。但由于其不可避免的缺點，限制了陶瓷的進一步廣泛應(yīng)用。將陶瓷表面進行改性處理以及與金屬連接成復(fù)合零件是揚長避短擴大陶瓷應(yīng)用的主要途徑。 本論文提出了基于多元離子復(fù)合滲鍍合金技術(shù)(MICDA)的陶瓷/金屬連接方法，是以包含有活性金屬(如：鈦、鋯、鉿)在內(nèi)的多種金屬(如：銅、鎳等)制成多元復(fù)合靶，采用加弧輝光離子滲鍍方法在

2、陶瓷材料表面直接滲鍍上所需的合金層，從而實現(xiàn)了陶瓷材料表面的合金化。改進和研制了多元離子復(fù)合滲鍍合金設(shè)備，探討了其滲鍍合金原理，工藝規(guī)范參數(shù)對滲鍍合金層成分、組織和性能的影響。 研制了Cu-Ti、Ni-Ti二元復(fù)合靶和Cu-Ni-Ti三元復(fù)合靶結(jié)構(gòu)，并利用上述三種復(fù)合靶分別對Si3N4結(jié)構(gòu)陶瓷、Al2O3電子陶瓷及ZrO2陶瓷實施了復(fù)合滲鍍。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析、X-射線衍射、聲發(fā)射劃痕等測試方法對陶瓷表面的復(fù)合滲

3、鍍合金層及其連接界面進行了測試分析。 試驗結(jié)果表明，滲鍍合金層中各元素的分布較為均勻，沒有明顯的成分偏聚現(xiàn)象。滲鍍合金層由界面反應(yīng)層(滲層)和表面鍍層組成，滲鍍層厚度一般為10～30 μm，成分呈梯度連續(xù)分布。界面反應(yīng)層由TiN、Ti5Si3、(Ti,Al)2O3、TiAl、Ti2O3等組成，X-射線衍射表明陶瓷表面滲鍍合金層由CuTi、Cu、Ni[TiO3]、Ni4Ti3、Ni等組成，這依賴于復(fù)合靶的材料種類和結(jié)構(gòu)。聲發(fā)射劃痕

4、試驗表明，滲鍍層與陶瓷基體接合較好，在100N的最大載荷的作用下，除個別試件外，大多數(shù)試件的滲鍍層沒有出現(xiàn)剝離和崩落現(xiàn)象。 采用普通BAg72Cu-V釬料，成功進行了表面滲鍍Cu-Ti合金的Si3N4陶瓷與Q235材料的無釬劑釬焊。液態(tài)釬料在合金化陶瓷表面得到很好的潤濕鋪展，釬焊接頭連接界面接合良好，沒有宏觀和微觀缺陷，釬焊接頭抗開裂性能明顯提高。 分析認為，金屬/陶瓷連接界面力學(xué)性能的提高是基于如下現(xiàn)象和原理：①輝光離

5、子轟擊對陶瓷表面有凈化作用，有利于界面反應(yīng)；②離子轟擊可以使陶瓷表面產(chǎn)生缺陷和毛細管，有利于多元金屬離子尤其是活性金屬元素的擴散和滲入；③金屬離子的擴散深度較大，有利于界面反應(yīng)層厚度的增加；④活性元素Ti等與陶瓷反應(yīng)形成金屬間化合物起連接作用，Cu等為非反應(yīng)元素，在界面反應(yīng)層中起增韌作用；⑤多元復(fù)合靶起到離子源的作用，提高離化效率，縮短滲鍍時間。 利用大型ANSYS有限元軟件分析了表面合金化Si3N4陶瓷與普通Q235材料釬焊接