采用Ag-Cu-In-Ti钎料真空钎焊SiO2f/SiO2复合陶瓷与铌

设计了Ag-(15~26)Cu-(13~20)In-(3.1~6.9)Ti活性钎料,分别在780℃/20 min,780℃/40 min和800℃/10 min三种参数下实现了SiO_2f/SiO₂复合材料与铌的连接,分析了接头微观组织,测试了接头室温抗剪强度.其中800℃/10 min钎焊参数下的接头平均抗剪强度最高,达到21.6 MPa;微观分析结果表明,接头中靠近SiO_2f/SiO₂母材界面处形成了厚度约为2μm的连续扩散反应层,靠近铌的界面钎料与母材也形成了良好的结合.该钎焊参数下接头界面物相依次为:SiO_2f/SiO₂→TiO+TiSi₂→TiO+Cu₃Ti→Ag(s, s)+Ag₃In+Cu(s, s)→Nb.     

Cu-25Sn-10Ti活性钎焊SiO2f/SiO2复合材料与Invar合金

采用Cu-25Sn-10Ti钎料钎焊SiO_2f/SiO₂复合材料与Invar合金,研究了界面组织结构及其形成机理,分析了不同钎焊保温时间下界面组织对接头性能的影响.结果表明,在钎焊温度880℃,保温时间15 min的工艺参数下,接头在SiO_2f/SiO₂复合材料侧与Invar合金侧均形成了连续的界面反应层,界面整体结构为Invar合金/Fe₂Ti+Cu(s,s)+(Ni,Fe,Cu)₂TiSn/Cu(s,s)+Cu₄₁Sn₁₁+CuTi/TiSi+Ti₂O₃/SiO_2f/SiO₂复合材料.在钎焊温度一定时,随着保温时间的延长,复合材料侧TiSi+Ti₂O₃反应层厚度逐步增加,Fe₂Ti颗粒逐步呈大块状连续依附其上,接头强度先增大后减小.当钎焊温度880℃,保温时间15 min时,接头室温抗剪强度达到11.86 MPa.     

SiO2f/SiO2复合材料表面碳活化辅助钎料润湿机理

针对SiO_2f/SiO₂复合材料钎焊中存在表面钎料润湿性差、难以获得有效接头的难题,提出一种表面碳活化辅助钎料润湿的方法.利用PECVD方法低温原位在复合材料表面制备极薄的碳活化层,以辅助活性钎料在其表面铺展润湿.研究表明采用该方法可在400℃/15 min条件下即可在SiO_2f/SiO₂表面制备出碳活化层,且复合材料表面形貌无变化.润湿结果表明碳活化层的引入显著改善了Ag-Cu-Ti钎料在复合材料表面的润湿性,860℃/10 min下润湿角从131°降至27°.碳活化层主要借助碳与活性元素良好的亲和力活化了复合材料表面状态,进而促进活性钎料在其表面铺展润湿.     

SiO2-BN复相陶瓷润湿性及其接头微观组织

采用座滴法开展Ag-21Cu-4.5Ti合金钎料对SiO₂-BN复相陶瓷润湿与铺展行为研究. 利用SEM、XRD分析润湿界面微观组织以及形成机理. 通过调控SiO₂-BN复相陶瓷中BN含量,研究Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的润湿模型. 结果表明,Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的典型界面反应产物为TiN和TiB₂,随着体系BN含量的增加,润湿性逐渐变好. 对SiO₂-BN复相陶瓷与Nb进行钎焊试验,典型界面组织为SiO₂-BN复相陶瓷/TiN + TiB₂/Ti₂Cu + (Ag,Cu)/(βTi,Nb)/Nb. 接头抗剪强度随着钎焊时间升高先增大后减小,当钎焊温度为880 ℃,保温时间10 min时,钎焊接头抗剪强度最高,到达39 MPa.     

金刚石工具加工SiO2f/SiO2复合材料的可行性研究

针对石英纤维增强陶瓷基复合材料(SiO_2f/SiO₂)制造的薄壁壳体零件加工过程中存在加工效率低、切削力较大易导致零件破裂和加工表面粗糙度不易达到要求等问题,为寻求零件可行的加工刀具和工艺参数,在阐述微刃切削原理基础上,用其研制的整体多刃PCD刀具和电镀金刚石磨头,开展金刚石工具加工SiO_2f/SiO₂复合材料的可行性研究。结果表明：采用基于微刃切削原理设计的整体多刃PCD刀具加工SiO_2f/SiO₂,因刀具锋利和多刃特点可以实现较大的切深并获得较大的切削效率,但是切削力相对较大;相比于整体多刃PCD刀具,电镀金刚石磨头加工SiO_2f/SiO₂时切削力较小,加工后工件表面质量较好,且其表面粗糙度较低;     

DD3高温合金与Ti3AlC2陶瓷的真空钎焊

通过对比试验优选出了合适钎料,并进行了后续钎焊试验.在钎焊温度800~900℃,保温时间为10 min的条件下,采用Ag-Cu-Ti钎料实现了DD3镍基高温合金与Ti₃AlC₂陶瓷的真空钎焊连接.利用扫描电镜、能谱仪、XRD等对接头的界面结构进行了分析.结果表明,接头的典型界面结构为DD3/AlNi/Al₃(Ni,Cu)₅+Al(Ni,Cu)+Ag_ss/(Al,Ti)₃(Ni,Cu)₅/Al₄Cu₉+AlNi₂Ti+Ag_ss/TiAg/Ti₃AlC₂.接头的力学性能测试表明,在钎焊温度为850℃,保温时间为10 min的条件下,接头的最高抗剪强度可达135.9 MPa,断裂发生在靠近钎缝的Ti₃AlC₂陶瓷侧.降低和提高钎焊温度对接头界面组织影响不大,但接头强度有一定程度下降.     

采用Au基钎料真空钎焊Al2O3陶瓷

首先选用AgCuTi活性钎料在880℃/10 min参数下对A1₂O₃陶瓷表面进行金属化处理,之后尽量去除金属化层中的AgCu共晶组织,然后选用两种Au基高温钎料在980℃/10 min参数下对金属化后的A1₂O₃进行了钎焊连接.结果表明,在Al₂O₃/Au-Ni/Al₂O₃接头中靠近Al₂O₃母材的界面处生成一层薄薄的扩散反应层,该反应层主要由TiO₂和Al₂O₃组成;在Al₂O₃/Au-Cu/Al₂O₃接头中同样存在扩散反应层,与前者不同的是,接头中检测到Ti-Au相的存在.分别对Au-Ni和Au-Cu两种钎料获得的Al₂O₃接头进行了抗剪强度测试,前者对应接头强度为95.5 MPa,后者对应接头强度达到102.3 MPa.     

表面活化Al2O3陶瓷与5005铝合金真空钎焊

采用Al-Si钎料对经过Ag-Cu-Ti粉末活性金属化处理的Al₂O₃陶瓷与5005铝合金进行了真空钎焊,研究了钎焊接头的典型界面组织,分析了钎焊温度对接头界面结构特征及力学性能的影响. 结果表明,接头典型界面结构为5005铝合金/α-Al+θ-Al₂Cu+ξ-Ag₂Al/ξ-Ag₂Al+θ-Al₂Cu+Al₃Ti/Ti₃Cu₃O/Al₂O₃陶瓷. 钎焊过程中,Al-Si钎料与活性元素Ti及铝合金母材发生冶金反应,实现对两侧母材的连接. 随着钎焊温度的升高,陶瓷侧Ti₃Cu₃O活化反应层的厚度逐渐变薄,溶解进钎缝中的Ag和Cu与Al反应加剧,生成ξ-Ag₂Al+θ-Al₂Cu金属间化合物的数量增多,铝合金的晶间渗入明显;随钎焊温度的升高,接头抗剪强度先增加后降低,当钎焊温度为610 ℃时,接头强度最高达到15 MPa.     

活性元素Ti和SiO2界面结合机制的第一性原理计算

Ti元素是钎焊SiO_2f/SiO₂复合材料重要的活性元素,因此,使用第一性原理计算研究了Ti和SiO₂的界面结合机制. 分别建立了两种不同的终止面和化学计量比的界面,使用界面分离功、电子行为和界面能研究了界面原子间的结合. 结果表明,在O终止界面中,界面处Ti和O形成很强的离子-共价键,界面分离功最大可达到8.99 J/m2. 在Si终止面界面中,Ti和Si形成共价-离子键,界面分离功为2.65 J/m2. 在温度为1 173 K时,当Si的活度大于e?35时,富Si界面的界面能更低,界面倾向于形成Ti-Si化合物. 当Si的活度小于e?35时,富O界面在热力学上更加稳定,界面倾向于形成Ti-O化合物. SiO₂中的Si被Ti置换出后,Si扩散进入钎料,活度升高,与钎料中的Ti反应生成Ti-Si化合物,所以界面结构为SiO₂/Ti-O化合物/Ti-Si化合物/钎料.     

焊后热处理对复杂结构件完整性的影响

通过考虑热处理前后δ_CTOD值和残余应力变化,研究了焊后热处理对复杂结构件完整性的影响. 对厚板(80 mm)对接接头进行了焊态和热处理态的残余应力测量和断裂韧性(CTOD)试验. 相对厚板对接接头焊态,热处理态的残余应力有效降低,焊缝δ_CTOD值基本不变,热影响区δ_CTOD值有较大幅度下降;对带拘束和装配应力复杂焊接结构进行局部热处理并测试焊态和热处理态的残余应力. 结果表明,残余应力降低不明显,有的部位残余应力水平反而上升. 基于以上试验结果,对多种情况进行结构完整性的评估,发现了局部热处理并不能够改善复杂结构的安全性.     

BNi2+TiH2复合钎料钎焊C/C复合材料与GH99镍基高温合金

采用BNi2+TiH₂复合粉末钎料成功实现C/C复合材料与GH99镍基高温合金的钎焊,对焊后接头界面组织及力学性能进行了分析.结果表明,焊后接头典型界面结构为C/C复合材料/Cr₃C₂+MC+Ni(s,s)/MC+Ni(s,s)/Ni₃Si+Ni(s,s)/Cr₃C₂+MC+Ni(s,s)/GH99高温合金.钎料中加入TiH₂,可促进C/C复合材料母材的溶解,并在钎缝中部形成MC碳化物颗粒.随着TiH₂含量的增加,钎缝中部MC形态由细小弥散向大片状转变.当TiH₂含量为3%时,接头室温及800,1000℃高温抗剪强度最高,分别可达40,19及10 MPa,接头强度高于BNi2钎料钎焊接头强度,并可有效保证接头高温使用性能.     

Ti600和Ni-25%Si合金钎焊接头性能及失效机理分析

采用Ti-Zr-Ni-Cu非晶钎料对高温钛合金Ti600和Ni-25%Si (原子分数,%)合金进行钎焊试验,重点研究了钎焊温度对镍硅与钛合金接头组织及性能的影响,结合接头组织特征及断口结构分析阐明了Ti600和Ni-25%Si合金钎焊接头的失效机理. 结果表明,钎缝内部包含多个区域,随着连接温度从900 ℃上升至980 ℃,包含(Ti,Zr)₂Si和Ti₂Ni相的区域逐渐消失,包含Ti₅Si₃和Ti₂Ni相的区域逐渐变厚,最终占据全部钎缝. 力学性能分析表明,随着钎焊温度的升高,接头抗剪强度先增大后降低. 当钎焊温度为960 ℃时,接头的抗剪强度能够达到峰值177 MPa. 在脆性Ti₂Ni相基体上弥散分布的Ti₅Si₃相颗粒破坏了Ti₂Ni相的连续性,阻碍了裂纹在钎缝内部的扩展是钎焊接头抗剪强度提升的根本原因.     

Ga2O3对Ag30CuZnSn药芯银钎料钎缝组织及钎焊接头性能的影响

向Ag30CuZnSn药芯银钎料药粉中添加Ga₂O₃,研究了Ga₂O₃对Ag30CuZnSn药芯银钎料钎缝组织的影响及钎焊接头性能的影响. 结果表明,微量Ga₂O₃可以显著提高Ag30CuZnSn药芯银钎料的润湿铺展性能且可以减少药芯中钎剂的添加量. Ga₂O₃添加量为0.4%（质量分数）时,钎料润湿铺展性能和钎焊接头抗剪切强度达到最佳值. 这是因为Ga₂O₃属于表面活性物质,可以显著降低熔融钎料和母材之间的界面张力,从而提高了钎剂粉末的去膜效果,进而提高银钎料的润湿铺展性能. 药芯银钎料基体及钎缝组织主要由以CuZn相为主的固溶体、银基固溶体和铜基固溶体构成. 火焰钎焊时,添加0.4%Ga₂O₃（质量分数）时作用效果最佳,钎缝组织的细化与钎着率的提高(钎着率提高至95%以上)使得钎焊接头抗剪强度提高了11%以上,钎焊接头断口组织的形貌证明了上述结果.     

钎料中Ti元素含量对Si3N4/Si3N4接头界面结构及性能的影响

在900℃保温10 min的工艺条件下采用Ti含量不同的AgCu+Ti+nano-Si₃N₄复合钎料（AgCu_C）实现了Si₃N₄陶瓷自身的钎焊连接,并对不同Ti元素含量的接头界面组织及性能进行了分析.结果表明,接头典型界面结构为Si₃N₄/TiN+Ti₅Si₃/Ag_（s,s）+Cu_（s,s）+TiN_P+Ti₅Si_3P/TiN+Ti₅Si₃/Si₃N₄.随着复合钎料中Ti元素含量的增加,钎缝中团聚的纳米Si₃N₄颗粒逐渐减少,母材侧的反应层厚度逐渐增加后趋于稳定.当Ti元素含量高于4%时,钎缝中形成了类似于颗粒增强金属基复合材料的界面组织;当Ti元素含量达到10%时,有少量Ti-Cu金属间化合物在钎缝中形成;钎焊接头的抗剪强度随着Ti元素含量的增加而呈现先增加后降低的变化趋势,当Ti元素含量为6%时接头的抗剪强度达到最高值,即75 MPa.