基于AgCu-Ni中間層的SiO2陶瓷與TC4鈦合金釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、SiO2玻璃陶瓷具有耐熱、抗震且多孔、熱膨脹性能可調(diào)、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性能好、較大的高溫粘性等特點(diǎn)，在宇航工業(yè)中可將 SiO2玻璃陶瓷與TC4合金(即Ti-6Al-4V)連接應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙上。目前，陶瓷隔艙是在外徑處通過機(jī)械連接方式實(shí)現(xiàn)與燃燒室的連接，消極質(zhì)量較重，因此本課題要實(shí)現(xiàn)SiO2陶瓷隔艙與TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件的可靠連接。解決消極質(zhì)量重的問題，同時(shí)提高構(gòu)件連接的氣密性。本文采用釬焊的方法解決 SiO2玻璃陶瓷與TC4合金的連接問題

2、，深入探討連接機(jī)理，確定最佳工藝，得到性能符合要求的構(gòu)件。
　　采用AgCu/Ni復(fù)合中間層進(jìn)行了SiO2陶瓷與TC4鈦合金的釬焊連接，通過多種分析測(cè)試方法確定了釬焊接頭典型的界面結(jié)構(gòu)為：TC4鈦合金/針狀α-Ti/Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共析組織/Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共晶組織/Ti2(Ni,Cu)+Ti2(Cu,Ni)化合物/Ti(s.s)+Ti2(Cu

3、,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共晶組織/Ti4O7+TiSi2/SiO2陶瓷。釬焊溫度為970℃，保溫時(shí)間為10min的接頭抗剪強(qiáng)度最高，平均值達(dá)到110MPa，此時(shí)接頭斷裂發(fā)生在陶瓷母材上，接頭界面中各層強(qiáng)度較高，使接頭強(qiáng)度高于母材。
　　多種工藝參數(shù)下的釬焊試驗(yàn)表明：釬焊溫度對(duì)界面產(chǎn)物種類影響不大，但對(duì)陶瓷側(cè)Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共晶組織的分布有一定影響。釬焊溫度較低時(shí)，焊縫中部有少量該

4、組織呈島狀分布。當(dāng)釬焊溫度達(dá)到970℃時(shí)，該組織已呈帶狀近連續(xù)分布于靠近陶瓷側(cè)反應(yīng)層的區(qū)域。釬焊溫度升高至980℃，陶瓷側(cè)連續(xù)的Ti(s.s)+Ti2(Cu, Ni)+Ti2(Ni, Cu)過共晶組織明顯增厚。釬焊溫度對(duì)陶瓷側(cè) Ti4O7+TiSi2反應(yīng)層厚度影響不大。保溫時(shí)間對(duì)陶瓷側(cè)島狀Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共晶組織的分布與釬焊溫度的影響類似，但對(duì)陶瓷側(cè) Ti4O7+TiSi2反應(yīng)層生長(zhǎng)的影響卻不

5、同，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致 Ti4O7+TiSi2反應(yīng)層厚度增加明顯。
　　根據(jù)所觀察到的接頭界面結(jié)構(gòu)，確定了界面形成過程具體分為以下幾個(gè)階段：中間層與兩待焊母材的物理接觸；AgCu釬料箔片的熔化以及液態(tài)AgCu與Ni箔片、鈦合金母材的相互作用；共晶液相大量出現(xiàn)、釬料中Ti、Cu、Ni、Ag原子共存、陶瓷側(cè)反應(yīng)層開始形成；釬焊溫度下釬料液相對(duì)鈦合金母材繼續(xù)溶解、焊縫中液相成分均勻化、陶瓷側(cè)反應(yīng)層厚度增加；釬料對(duì)鈦合金母材溶解的停止、

6、陶瓷側(cè)反應(yīng)層反應(yīng)的終止以及過共析組織的形成；Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)+Ti2(Ni,Cu)過共晶組織的形成；焊縫中心金屬間化合物的凝固。分析了焊縫中Ag、Cu、Ti、Ni各元素的作用機(jī)理，其中，來自于TC4母材的Ti元素是該連接過程中不可或缺的重要組元，Ti與中間層合金通過共晶接觸反應(yīng)作用形成了對(duì) SiO2陶瓷潤(rùn)濕性極好的液態(tài)釬料，Ti原子進(jìn)入焊縫后，迅速擴(kuò)散到陶瓷側(cè)與陶瓷形成反應(yīng)層，實(shí)現(xiàn)釬料與陶瓷之間的良好冶金結(jié)合。

7、>　　通過分析釬料在鈦合金母材側(cè)的冶金反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)共晶液相傾向于在鈦合金一側(cè)產(chǎn)生，這主要是由于Ni向Ti中的擴(kuò)散系數(shù)比Ti向Ni中的擴(kuò)散系數(shù)大很多。得到了釬焊溫度恒定的情況下，保溫一段時(shí)間后焊縫中Ti在液態(tài)釬料中的濃度表達(dá)式，并以此為切入點(diǎn)得到了焊后 TC4鈦合金母材的溶解厚度表達(dá)式，這對(duì)有效控制鈦合金母材溶解量，防止發(fā)生溶蝕具有重要意義。
　　研究了釬焊過程中釬料液相在 SiO2陶瓷側(cè)的鋪展行為及界面反應(yīng)行為。以活性元素 Ti的行