氮化硅陶瓷与镍基合金的钎焊研究(附件)【字数：10291】
本文采用磁控溅射技术在氮化硅陶瓷表面沉积不同的金属膜，通过对比实验的方法研究不同的镀膜工艺对氮化硅和镍基合金钎焊的性能的影响。采用(AgCu28)95.5Ti4.5钎料连接氮化硅陶瓷和镍基合金，研究不同的镀膜工艺对接头剪切强度的影响。本文通过对陶瓷表面磁控溅射镀膜的控制，研究表面预金属化对焊接接头界面组织和力学性能的影响。通过陶瓷表面预处理时分别镀Ti/Cu和Ti/Mo/Cu，研究了不同的表面预处理对接头组织和力学性能的影响。结果表明，二者都能实现Si3N4陶瓷与GH4169镍基合金的有效连接，Si3N4/钎料界面处均形成了一层致密的反应层，该反应层由TiN和Ti5Si3组成。接头的中间部分，前者由银基固溶体、铜基固溶体组成，后者则是由银基固溶体、铜基固溶体、Mo颗粒和Ti-Cu金属间化合物组成。在对二者多得的试样进行剪切试验时，发现表面预处理时，镀膜Ti/Mo/Cu的试样剪切强度79Mpa高于镀膜Ti/Cu的试样62Mpa，明显高于不金属化直接钎焊的剪切强度52MPa结合组织分析，可以发现Mo能够促进钎料和母材之间的润湿，加强Si3N4陶瓷与GH4169镍基合金间的连接。关键词间接钎焊；磁控溅射；组织分析；剪切试验
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及研究的目的和意义 1
1.2研究现状及分析 2
1.2.1钎焊 2
1.2.2固相扩散焊 4
1.2.3过渡液相扩散焊 5
1.2.4自蔓延高温合成连接 6
1.2.5国内外连接方法的综述简析 6
1.3钎料的研究现状 6
1.4陶瓷/金属的润湿现象 7
1.4.1陶瓷/金属的润湿 7
1.4.2改善金属/陶瓷润湿性的方法 9
1.5主要研究内容 9
第二章 实验研究方案 10
2.1实验材料 10
2.2实验器材 11
2.2.1磁控溅射仪 11
2.2.2真空退火炉 12
2.3试样的制备 12
2.4钎料的选择及制备 13
2.5钎焊工艺的确定 14
第三章 实验分析 16
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
钎焊接头的组织结构分析 16
3.2钎焊接头剪切强度的测定 18
3.3断口的宏观形貌分析 20
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
现代技术的发展, 要求材料能在各种苛刻的环境下工作。在工程结构材料中, 现有的金属材料虽然在室温、强度、延展性、导电性和导热性等方面具有优秀的特性, 但是它的耐高温性、耐腐蚀性, 耐磨损性等性能已不能满足日趋提高的需求。陶瓷材料, 特别是那些有高熔点、高高温强度、高硬度、高温蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、弹性模量高以及热膨胀系数小等优良性能和特点的高技术陶瓷材料在冶金、宇航、能源、机械和光学等领域有着重要应用。高技术陶瓷材料不仅可以突破现有合金及高分子材料的使用极限，而且可能成为继钢铁、塑料之后，世界上第三种主要材料。在高技术陶瓷中，Si3N4陶瓷是最具有发展潜力与广阔的应用市场的一种新型工程材料。Si3N4陶瓷是无机非金属强共价键化合物，具有惊人的耐高温、高强度和高硬度性能，硬度可达HRA9193；热硬性好，能承受13001400℃的高温；与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低；本身具有润滑性，有很好的耐磨损性能；除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化；它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂；Si3N4陶瓷的高温蠕变也很小。Si3N4陶瓷具有的高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及高抗热震性等优点，使得其在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值。但是，陶瓷材料由于其化学键的特点, 具有脆性大、强度分散和加工困难三个固有的缺点, 这些缺点导致其抗冷热冲击能力差，难以制成大尺寸、形状复杂的构件,这在很大程度上限制了陶瓷材料在工程中的应用。GH4169镍基合金在高温条件下具有屈服强度高，塑性、抗疲劳及持久性能好等特点，因此被广泛应用在航空发动机的一些关键部件上，如涡轮盘等。如果能将其与陶瓷连接，既能发挥陶瓷的耐热、耐腐蚀性能，又能发挥镍基合金的抗疲劳和高塑性等优点，对于提高构件工作温度和耐腐蚀性等方面具有非常重要的意义。现在的汽车发动机的制作材料均为镍基耐热合金，但是如果能用陶瓷材料制作成活塞内衬、气缸等零件并与镍基合金连接，则可以将工作温度从1000℃提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右；燃料燃烧更为充分，排出的废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。此外，陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。
由此可见, 陶瓷材料和金属材料之间明显存在着一种性能互补的关系,如果将陶瓷与金属组合形成复合结构, 既可以充分发挥陶瓷的性能特点, 又可以利用金属所具有的韧性, 使二者优势互补，对于改善结构件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义。
1.2 研究现状及分析
近年来，随着陶瓷材料的不断研究开发，新型陶瓷具备了更多优良的性能，如熔点高、强度高、硬度高、抗热震、抗氧化、尺寸稳定性好等，在机械、航天等诸多领域发挥了重要的应用。但是，由于陶瓷的固有缺陷：硬度高，脆性大，导致其可塑性能差，很难加工制造成较大尺寸或结构复杂的构件，使得陶瓷材料在实际的应用中仍受到极大的限制。为克服陶瓷材料存在的缺陷，扩大陶瓷材料在实际工程中的应用范围，研究陶瓷与金属的连接成为了解决上述问题的首选方法。国内外科学家们都对陶瓷与金属的连接进行了大量的研究，通过不断地试验和摸索，发现发明了多种连接方法，如粘合剂粘接、机械连接、熔化焊、钎焊、固相扩散连接、自蔓延高温合成连接、部分瞬间液相连接等连接方法，并取得一定成果。
1.2.1 钎焊
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到钎料熔点和母材熔点之间的温度,利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。但由于普通金属钎料在陶瓷表面润湿性很差，因此提高钎料在陶瓷表面的润湿性是保证钎焊质量的关键。此外，金属和陶瓷物理性能、力学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。陶瓷与金属材料常用的钎焊工艺有两种：一种是陶瓷表面金属化法，另一种是活性钎焊法；这两种方法都涉及到钎焊材料的应用，前者主要是利用常规钎料，后者主要是利用活性钎料。陶瓷/金属钎焊的主要难点在于冶金不相容和物性不匹配。冶金不相容是指钎料熔化后对陶瓷不浸润,难以在熔接区和陶瓷实现原子间的冶金结合;物性不匹配是指金属陶瓷的热膨胀系数差异太大,在钎焊结合区存在很大的应力梯度,钎焊产生的热应力使连接强度降低、质量难以满足需要。目前解决金属陶瓷物性不匹配的问题目前主要是通过添加活性元素、采用添加缓冲层的方法改善钎料在陶瓷表面的润湿性。缓冲层分为软性缓冲层、硬性缓冲层和软硬双层缓冲层三大类。软性缓冲层的热膨胀系数较高, 夹在金属钎料与陶瓷之间可以解决热膨胀不匹配引起的残余应力,但与金属间的连接往往不够理想,因此在某些情况下采用软硬双层缓冲层:一层是与陶瓷有较好结合强度的软性缓冲层;一层是低膨胀系数的硬性缓冲层,夹在钎料与陶瓷之间进行施焊,这种方法能够在一定的程度上改善接头性能。但缓冲层增多使施焊工艺复杂,并且使缓冲层变厚,陶瓷与金属的连接实际上会变成依靠缓冲层来连接,导致钎焊接头各项性能指标下降。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及研究的目的和意义 1
1.2研究现状及分析 2
1.2.1钎焊 2
1.2.2固相扩散焊 4
1.2.3过渡液相扩散焊 5
1.2.4自蔓延高温合成连接 6
1.2.5国内外连接方法的综述简析 6
1.3钎料的研究现状 6
1.4陶瓷/金属的润湿现象 7
1.4.1陶瓷/金属的润湿 7
1.4.2改善金属/陶瓷润湿性的方法 9
1.5主要研究内容 9
第二章 实验研究方案 10
2.1实验材料 10
2.2实验器材 11
2.2.1磁控溅射仪 11
2.2.2真空退火炉 12
2.3试样的制备 12
2.4钎料的选择及制备 13
2.5钎焊工艺的确定 14
第三章 实验分析 16
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
钎焊接头的组织结构分析 16
3.2钎焊接头剪切强度的测定 18
3.3断口的宏观形貌分析 20
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
现代技术的发展, 要求材料能在各种苛刻的环境下工作。在工程结构材料中, 现有的金属材料虽然在室温、强度、延展性、导电性和导热性等方面具有优秀的特性, 但是它的耐高温性、耐腐蚀性, 耐磨损性等性能已不能满足日趋提高的需求。陶瓷材料, 特别是那些有高熔点、高高温强度、高硬度、高温蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、弹性模量高以及热膨胀系数小等优良性能和特点的高技术陶瓷材料在冶金、宇航、能源、机械和光学等领域有着重要应用。高技术陶瓷材料不仅可以突破现有合金及高分子材料的使用极限，而且可能成为继钢铁、塑料之后，世界上第三种主要材料。在高技术陶瓷中，Si3N4陶瓷是最具有发展潜力与广阔的应用市场的一种新型工程材料。Si3N4陶瓷是无机非金属强共价键化合物，具有惊人的耐高温、高强度和高硬度性能，硬度可达HRA9193；热硬性好，能承受13001400℃的高温；与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低；本身具有润滑性，有很好的耐磨损性能；除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化；它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂；Si3N4陶瓷的高温蠕变也很小。Si3N4陶瓷具有的高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及高抗热震性等优点，使得其在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值。但是，陶瓷材料由于其化学键的特点, 具有脆性大、强度分散和加工困难三个固有的缺点, 这些缺点导致其抗冷热冲击能力差，难以制成大尺寸、形状复杂的构件,这在很大程度上限制了陶瓷材料在工程中的应用。GH4169镍基合金在高温条件下具有屈服强度高，塑性、抗疲劳及持久性能好等特点，因此被广泛应用在航空发动机的一些关键部件上，如涡轮盘等。如果能将其与陶瓷连接，既能发挥陶瓷的耐热、耐腐蚀性能，又能发挥镍基合金的抗疲劳和高塑性等优点，对于提高构件工作温度和耐腐蚀性等方面具有非常重要的意义。现在的汽车发动机的制作材料均为镍基耐热合金，但是如果能用陶瓷材料制作成活塞内衬、气缸等零件并与镍基合金连接，则可以将工作温度从1000℃提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右；燃料燃烧更为充分，排出的废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。此外，陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。
由此可见, 陶瓷材料和金属材料之间明显存在着一种性能互补的关系,如果将陶瓷与金属组合形成复合结构, 既可以充分发挥陶瓷的性能特点, 又可以利用金属所具有的韧性, 使二者优势互补，对于改善结构件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义。
1.2 研究现状及分析
近年来，随着陶瓷材料的不断研究开发，新型陶瓷具备了更多优良的性能，如熔点高、强度高、硬度高、抗热震、抗氧化、尺寸稳定性好等，在机械、航天等诸多领域发挥了重要的应用。但是，由于陶瓷的固有缺陷：硬度高，脆性大，导致其可塑性能差，很难加工制造成较大尺寸或结构复杂的构件，使得陶瓷材料在实际的应用中仍受到极大的限制。为克服陶瓷材料存在的缺陷，扩大陶瓷材料在实际工程中的应用范围，研究陶瓷与金属的连接成为了解决上述问题的首选方法。国内外科学家们都对陶瓷与金属的连接进行了大量的研究，通过不断地试验和摸索，发现发明了多种连接方法，如粘合剂粘接、机械连接、熔化焊、钎焊、固相扩散连接、自蔓延高温合成连接、部分瞬间液相连接等连接方法，并取得一定成果。
1.2.1 钎焊
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到钎料熔点和母材熔点之间的温度,利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。但由于普通金属钎料在陶瓷表面润湿性很差，因此提高钎料在陶瓷表面的润湿性是保证钎焊质量的关键。此外，金属和陶瓷物理性能、力学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。陶瓷与金属材料常用的钎焊工艺有两种：一种是陶瓷表面金属化法，另一种是活性钎焊法；这两种方法都涉及到钎焊材料的应用，前者主要是利用常规钎料，后者主要是利用活性钎料。陶瓷/金属钎焊的主要难点在于冶金不相容和物性不匹配。冶金不相容是指钎料熔化后对陶瓷不浸润,难以在熔接区和陶瓷实现原子间的冶金结合;物性不匹配是指金属陶瓷的热膨胀系数差异太大,在钎焊结合区存在很大的应力梯度,钎焊产生的热应力使连接强度降低、质量难以满足需要。目前解决金属陶瓷物性不匹配的问题目前主要是通过添加活性元素、采用添加缓冲层的方法改善钎料在陶瓷表面的润湿性。缓冲层分为软性缓冲层、硬性缓冲层和软硬双层缓冲层三大类。软性缓冲层的热膨胀系数较高, 夹在金属钎料与陶瓷之间可以解决热膨胀不匹配引起的残余应力,但与金属间的连接往往不够理想,因此在某些情况下采用软硬双层缓冲层:一层是与陶瓷有较好结合强度的软性缓冲层;一层是低膨胀系数的硬性缓冲层,夹在钎料与陶瓷之间进行施焊,这种方法能够在一定的程度上改善接头性能。但缓冲层增多使施焊工艺复杂,并且使缓冲层变厚,陶瓷与金属的连接实际上会变成依靠缓冲层来连接,导致钎焊接头各项性能指标下降。
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