氧化铝基复合陶瓷-金属钎焊界面的热应力

用Ag-Cu-Ti钎料钎焊SiCw／Al2O3复合陶瓷和金属时，陶瓷与钎料发生化学反应，在陶瓷表面形成由TiO、TiC等物相组成的反应层。采用有限元法，对SiCw／Al2O3复合陶瓷／反应层界面的热应力进行了计算。结果表明，复合陶瓷／反应层界面的残余应力变化急剧，最大拉应力位于晶须、基体和反应层交界处；晶须内部及其表面存在较高的双向压应力，Al2O3基体主要承受垂直于界面的拉应力；SiC晶须／反应层界面及其附近的反应产物TiC内具有较高的平行于界面的拉应力，当连接界面承受剪力作用时，SiC晶须／反应层界面和TiC处极易破坏。借助TEM和SEM观察了复合陶瓷／反应层界面区的精细结构和剪切断口形貌，并利用计算结果对观察到的现象进行了分析。     

陶瓷/金属异质钎焊连接研究进展

钎焊作为制造业中材料连接较广泛的方法之一,在医疗、电力电子和汽车等领域应用广泛,各国学术界认为钎焊是陶瓷/金属异质连接中最有效、最具有发展潜力的连接方式。本文主要对近20年各国有关陶瓷/金属钎焊异质连接的研究报道进行详细综述。首先综述了陶瓷/金属钎焊的研究概况,其次分别从氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、陶瓷基复合材料4种陶瓷材料方面以及活性金属钎焊、空气反应钎焊、接触反应钎焊、玻璃钎焊和超声波辅助钎焊5种钎焊方法详细评述陶瓷/金属异质钎焊的研究进展。然后介绍了陶瓷/金属异质钎焊在医疗、电力电子和汽车领域的应用,最后指出陶瓷/金属异质钎焊技术研究和发展过程中存在的不足,并展望陶瓷/金属异质钎焊技术未来发展的方向,为陶瓷/金属异质材料连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。     

接头形式对陶瓷/金属连接残余应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了用AgCuTi钎料并添加Kovar中间层对氧化铝陶瓷/不锈钢进行钎焊连接接头残余应力的分布情况,分析接头形式对残余应力的影响.结果表明,采用等壁厚直接对接接头时,接头最大等效应力高达600 MPa以上,而将不锈钢壁厚减半后再进行对接时,接头最大等效应力可以降低近200 MPa;两种情况下最大等效应力均出现在靠近连接界面的陶瓷中,断裂易在此位置发生.考查了各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示轴向应力和剪切应力在靠近界面的陶瓷侧有较大残余拉应力是造成接头强度降低的主要因素.     

Ni-Cr/陶瓷连接界面残余应力有限元分析

采用有限元法分析Ni-Cr合金与陶瓷连接冷却过程中界面残余应力形成的大小和分布特征.结果表明,Ni-Cr合金与陶瓷存在较大的线膨胀系数差,在界面间会产生较大的残余应力,并因为边缘效应在拐角处产生应力集中,残余应力最大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面的近瓷侧,可达131 MPa.Ni-Cr/陶瓷界面残余应力σz较大值出现在Ni-Cr/陶瓷界面近瓷侧的狭小区域内,剪应力τzx的较大值出现在金/瓷界面,向合金和陶瓷两侧递减.采用钛中间层缓解了Ni-Cr/陶瓷界面残余应力,使残余应力向钛中间层转移,残余应力σz较大值出现在钛中间层,剪应力τzx最大值出现在Ni-Cr/Ti界面;随着钛中间层厚度增加,界面残余应力σz增大,剪应力τzx变化不大.     

陶瓷金属接头残余应力分析的后处理

以陶瓷与金属的连接为例，介绍了利用有限无法进行接头残余应力计算的基本思想和步骤。在计算结果后处理中，可以用残余应力值分布及残余应变能两种方式来描述接头的残余应力状态。前者常常用来估计裂纹的发生和扩展、中间层的作用、中间层厚度对接头残余应力场的影响以及接头几何形状对残余应力场的影响；后者则可直接用来估算接头抗剪强度。在解决实际工程问题时，如果将二者有效地结合起来，将会使分析更加全面、准确。     

陶瓷与金属的连接

陶瓷／金属连接技术近年来得到迅速发展,开发连接技术有许多难题要克服。陶瓷与金属界面如何形成化学结合是最关键的问题之一,活性金属钎焊法可用于解决这一问题并能获得高质量接头。构造合适的中间层以减少陶瓷／金属热膨胀不匹配造成的热应力是另一个关键总是 金属中间层和软金属／低膨胀硬金属复合中间层是两种有效的中间层。     

缓解陶瓷/金属连接接头残余热应力的方法研究进展

由于陶瓷与金属的热物理性能不匹配,使得陶瓷/金属连接接头在焊后往往产生巨大的残余热应力.在陶瓷、陶瓷基复合材料连接研究领域,几乎一直伴随着缓解陶瓷/金属连接接头残余热应力的方法研究.综述了国内外几十年来的研究成果,总结出7种缓解陶瓷/金属连接接头残余热应力的方法,其中缓释层、梯度、复合的概念十分重要,并对这些方法的原理进行了分析和探讨.要想获得理想的缓解残余应力的效果,发展多种方法相结合的复合缓解应力方法将是重要的研究方向.     

陶瓷-金属钎焊接头残余应力的数值分析

采用热弹塑性有限元方法，在考虑了材料性能参数随温度变化和界面反应层的情况下，计算了陶瓷／金属钎焊接头残余应力的大小和分布。通过计算发现：陶瓷／金属接头在冷却过程中产生的径向应力和剪应力对接头的影响较小。而在陶瓷表面的边缘接近焊缝的位置产生了最大的轴向拉应力，它影响接头的载荷承受能力，并且由于40Cr的屈服强度比45钢的高，计算出的Si3N4／40Cr接头的应力峰值比Si3N4／45钢的高。陶瓷／钎料和陶瓷／金属的界面反应层虽然薄，但它也是影响陶瓷／金属接头残余应力大小和分布的一个重要因素。另外，选择合适的钎料层、中问层和钎焊压力都可以有效地减小残余应力的峰值。     

陶瓷/AgCuTi/不锈钢钎焊连接界面组织与结构

采用Ag-Cu-Ti钎料对日用陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了钎焊连接.用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射仪对接头的微观组织形貌、特征点的成分以及钎焊接头的物相等进行了分析研究.结果表明,接头界面处形成了多种化合物,包括TiO,TiSi_2,Ti_5Si_3和Fe_2Ti.当温度为850℃,保温时间为5 min时,接头界面结构为1Cr18Ni9Ti不锈钢/Fe_2Ti/Ag[s,s]+Cu[s,s]+Fe_2TiO+Ti_5Si_3+TiSi_2/陶瓷.当钎焊温度较高或保温时间较长时,界面反应层厚度增加,界面中基体相Ag[s,s],Cu[s,s]所占比例显著减小.

Abstract：

Domestic ceramics and lCrl8Ni9Ti stainless steel were brazed using Ag-Cu-Ti filler metal. Microstructure, the component of characteristic points and the phases of brazing joints were studied by scanning electronic microscopy ( SEM) , energy distribution spectrometer (EDS) and x-ray diffraction (XRD). The results show that several kinds of intermetallics such as TiO_2, TiO, TiSi_2 , Ti_5 Si_3 and Fe_2 Ti were formed. The interfacial structure of joints is 1Cr18Ni9Ti stainless steel/Fez Ti/Ag[ s, s] + Cu[s,s] + Fe_2Ti/TiO_2 + TiO + Ti_5Si_3 + TiSi_2/ceramics when brazing temperature and time are 850 ℃ and 5min, respectively. The depth of interfacial reactive layer increases and the ratio of matrix phase Ag [ s, s ], Cu [ s, s ] which are in the middle of interface reduces evidently as brazing temperature is very high or holding time is very long.     

陶瓷与金属钎焊连接的研究进展

陶瓷与金属的理化性质差异较大,实现二者的连接面临陶瓷润湿性差和接头中存在残余应力的问题.本文对陶瓷与金属钎焊连接的研究进展进行了论述,重点总结了实现二者连接的活性钎焊法和缓解残余应力的复合钎料法、中间层法及陶瓷表面加工改性等方法,并对陶瓷与金属钎焊连接的发展趋势进行了展望.     

陶瓷/金属焊接应力的数值计算与分析

陶瓷/金属焊接过程中容易产生残余应力,将影响到产品的可靠性.应用薄壳理论推导的理论公式对典型焊接结构的应力分布进行了理论计算,同时应用ANSYS有限元分析软件对该结构的应力进行了数值计算.结果表明理论计算与有限元分析结果一致,同时ANSYS可以给出详细的应力分布,完全可以应用于陶瓷/金属焊接的应力计算.     

钛合金/陶瓷异质材料钎焊技术的研究现状

钛合金因其优异的性能,如密度低、耐高温、优异的蠕变和耐腐蚀性等,在航空航天、能源、汽车、建筑、包装与交通运输等诸多领域中得到了广泛应用。然而传统钛合金的高温性能较低,将钛合金与陶瓷连接起来制备成复合结构有助于获得质量较轻、高温性能优良的构件。钎焊在医疗、电力电子和汽车等领域应用广泛,被各国学术界认为是陶瓷/金属异质连接中最有效、最具有发展潜力的连接方式。综述了钛合金与Al₂O₃、ZrO₂等常见陶瓷及ZrB₂-SiC及ZrC-SiC等陶瓷基复合材料的钎焊技术研究现状,并介绍了如中间层法等常用的缓解钛合金与陶瓷接头中残余应力的方法,阐述了中间层与复合钎料中增强相的选取,最后指出钛合金/陶瓷异质钎焊技术研究和发展过程中存在的不足,并展望了钛合金/陶瓷异质钎焊技术未来的发展方向,为钛合金/陶瓷异质材料连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。     

陶瓷/金属钎焊与扩散连接的研究现状

工程陶瓷由于具有优异的综合性能,在许多领域得到广泛应用,但其加工性能差,通常需要与金属组成复合结构.实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键,钎焊和扩散连接被认为是陶瓷/金属连接中较为适合的方法.文中对近年来国内外陶瓷/金属钎焊和扩散连接技术领域的研究现状进行了综述,认为活性金属钎焊和部分瞬间液相连接发展比较成熟,部分瞬间液相连接充分结合了活性钎焊和固相扩散连接两者的优点,将成为未来陶瓷/金属连接的发展方向.     

陶瓷与金属扩散连接的研究现状

陶瓷与金属的连接技术是材料工程领域的热点研究课题,而扩散连接方法被认为是陶瓷与金属连接最适宜的方法。本文综述了陶瓷与金属扩散连接的研究现状,重点介绍了界面反应研究、残余应力分析和连接工艺研究等内容,并在此基础上指出了研究中所存在的问题。     

陶瓷与金属的连接

综述了陶瓷与金属连接的几种方法 ,重点讨论了对未来动力工程和先进发动机有重要意义的陶瓷与金属钎焊连接、部分瞬间液相连接及自蔓延高温合成 ( SHS)连接     

陶瓷/金属钎焊接头强度研究现状

陶瓷与金属钎焊是当前工程领域研究的热点,由于陶瓷与金属的热膨胀系数与弹性模量等性能不匹配,造成接头存在较大的残余应力,这已成为影响钎焊接头强度的主要因素.因此,降低接头残余应力,提高接头强度是陶瓷与金属钎焊的主要研究内容之一.分别对氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、碳氮化物陶瓷与金属钎焊接头强度的研究现状进行了综述.     

陶瓷/金属的钎焊

根据陶瓷与金属连接材料的广阔应用前景，介绍了陶瓷与金属钎焊的几种主要方法，探讨了陶瓷与金属钎焊中的难点，陶瓷与金属钎焊的润湿问题，分析了解决陶瓷与金属物性不匹配问题。     

陶瓷金属钎焊接头优化与残余应力数值模拟

利用热弹塑性有限元数值模拟方法,在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下,研究了接头形式对残余应力的大小和分布的影响规律.研究结果表明,试件形状、接头形式、钎料性能和中间层性能等参数对残余应力的大小有较显著的影响.圆形试件比方形试件的残余应力要小,对可能产生应力集中的棱边进行圆角过渡处理后,也可以降低残余应力峰值,陶瓷的焊接面凸起情况下的残余应力也比平面或凹陷情况下的残余应力要小,钎料和中间层与陶瓷和金属的热膨胀系数差别越小、钎料和中间层的屈服强度越小,残余应力越小.