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TC4/SiC钎焊用非晶钎料及接头组织与性能研究

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1绪论

1.1 SiC 陶瓷和 TC4 钛合金的特点及应用(Characteristics and Application of SiC and TC4)

1.2 SiC陶瓷与TC4钛合金的钎焊简介(Brazing of SiC and TC4)

1.3 非晶合金及钎料概述(Introduction of Amorphous Alloy and Brazing Filler Metal)

1.4本课题研究的主要内容(Main Content of the Research)

2试验材料和试验方法

2.1 试验材料 (Materials)

2.2试验方法(Test Methods)

2.3样品表征(Sample Characterization)

3非晶钎料的设计与研究

3.1前言(Introduction)

3.2 B-Ti0.46-Six钎料相组成(Phase Constitution of B-Ti0.46-Six Filler Metal)

3.3 B-Ti0.46-Six钎料微观组织(Microstructure of B-Ti0.46-Six Filler Metal)

3.4 B-Ti0.46-Six 钎料热力学特性(Thermodynamic Properties of B-Ti0.46-Six Filler Metal)

3.5 B-Ti0.55-Six钎料相组成(Phase Constitution of B-Ti0.55-Six Filler Metal)

3.6 B-Ti0.55-Six钎料微观组织(Microstructure of B-Ti0.55-Six Filler Metal)

3.7 B-Ti0.55-Six 钎料热力学特性(Thermodynamic Properties of B-Ti0.55-Six Filler Metal)

3.8钎料非晶形成能力分析(Analysis on the Glass Forming Ability of the Filler Metal)

3.9钎料润湿性分析(Analysis on the Wettability and Spreadability of the Filler Metal)

3.10本章小结(Chapter Summary)

4 TC4/B-Ti0.46-Six/SiC钎焊接头界面组织及性能

4.1前言(Introduction)

4.2 TC4/B-Ti0.46-Six/SiC 钎 焊 接 头 分 析 (Analysis on TC4/B-Ti0.46-Six/SiC Brazing Joints)

4.3钎焊接头界面形成机制(Soldering Mechanism)

4.4 TC4/B-Ti0.46-Six/SiC钎焊接头抗剪性能分析(Analysis on Shear Test of TC4/B-Ti0.46-Six/SiC Joints)

4.5本章小结(Chapter Summary)

5 TC4/B-Ti0.55-Six/SiC钎焊接头界面组织及性能

5.1前言(Introduction)

5.2 TC4/B-Ti0.55-Six/SiC 钎 焊 接 头 分 析 (Analysis on TC4/B-Ti0.55-Six/SiC Brazing Joints)

5.3钎焊接头界面形成机制(Soldering Mechanism)

5.4 TC4/B-Ti0.55-Six/SiC钎焊接头抗剪性能分析(Analysis on Shear Test of TC4/B-Ti0.55-Six/SiC Joints)

5.5本章小结(Chapter Summary)

6结论

参考文献

作者简历

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摘要

SiC陶瓷材料具有抗氧化、高温性能好、耐磨性能好等特性，TC4钛合金拥有比强度高、韧性高等特性，将两者进行连接，一方面能够实现良好的耐高温性能，另一方面可以制造出结构复杂的机械组件。但SiC陶瓷与TC4钛合金在化学成分、物理性能等方面存在较大差异，因此实现两者的连接具有较大难度。将二者进行钎焊连接采用的钎料大部分是银系合金，含有50 wt.%以上的贵金属银，使用钛基非晶钎料替代银基钎料能够降低成本，本课题设计并制备了两大类钛基非晶钎料，大幅降低了成本。采用制备的非晶钎料成功实现了 SiC陶瓷与 TC4钛合金的钎焊，钎焊接头分别为TC4/B-Ti0.46-Six/SiC和TC4/B-Ti0.55-Six/SiC（x=0%，0.5%，1%，2%）钎焊接头。对钎料的结构、成分、形貌、热力学特性和润湿性能进行表征与测试。并对钎焊接头进行表征测试，揭示钎焊界面形成机理和添加Si的影响。
　　本课题制备了（Ti0.46Cu0.14Zr0.27Ni0.13）1-xSix和（Ti0.55Cu0.20Zr0.15Ni0.10）1-xSix（x=0%，0.5%，1%，2%）两大类非晶钎料，缩写分别为B-Ti0.46-Six和B-Ti0.55-Six（x=0%，0.5%，1%，2%）。在制备的两大类钎料中，不添加Si元素的钎料非晶形成能力最差，Si含量0.5%的钎料非晶形成能力最强。B-Ti0.46-Si0%和B-Ti0.46-Si0.5%钎料的过冷液相区宽度（?Tx）相差22℃，约化玻璃转变温度（Trg）相差8.7%；B-Ti0.55-Si0%和B-Ti0.55-Si0.5%钎料的过冷液相区宽度相差22℃，约化玻璃转变温度相差7.9%。钎料研究结果显示，添加适量的 Si元素，能够显著提高Ti0.46Cu0.14Zr0.27Ni0.13和Ti0.55Cu0.20Zr0.15Ni0.10合金的非晶形成能力。另外，钎料中Si含量增加到0.5%，能够极大提高钎料的润湿铺展能力，继续提高Si的添加量，会导致钎料的润湿铺展能力逐渐降低。
　　为研究非晶钎料的钎焊性能，使用B-Ti0.46-Six钎料对SiC陶瓷和TC4钛合金进行钎焊。其中，TC4/B-Ti0.46-Si0.5%/SiC钎焊接头的剪切强度最大，达到80 MPa。TC4/B-Ti0.46-Si2%/SiC接头的界面结构为：TC4/（α+β）-Ti/TixSiy+ZrxSiy/α-Ti+β-Ti/Ti（s,s）+TixCuy+CuxZry/TiC+ZrC+TixSiy+ZrxSiy/SiC；TC4/B-Ti0.46-Six/SiC（x=0%，0.5%，1%）接头界面为：TC4/（α+β）-Ti+Ti2Cu/TixSiy+ZrxSiy/α-Ti+β-Ti+Ti2Cu/Ti（s,s）+TixCuy+CuxZry/TiC+ZrC+TixSiy+ZrxSiy/SiC。接头中间区域白色条形基体硬化相和SiC陶瓷侧反应层与钎焊接头抗剪性能联系紧密，在钎料中添加适量的Si元素，钎焊接头中会生成弥散分布的硬化相和厚度合适的陶瓷侧反应层，硬化相能够起到弥散强化作用，既能提高接头强度，也能提高接头韧性，而反应层能够有效降低连接处的残余应力。
　　在1030℃下使用B-Ti0.55-Six钎料对SiC陶瓷和TC4钛合金进行钎焊。其中，TC4/B-Ti0.55-Si0.5%/SiC钎焊接头的剪切强度最大，达到102 MPa。TC4/B-Ti0.55-Si0%/SiC接头的界面结构为：TC4/（α+β）-Ti/TixSiy+ZrxSiy/α-Ti+β-Ti/Ti（s,s）+TixCuy+CuxZry/TiC+ZrC+TixSiy+ZrxSiy/SiC；TC4/B-Ti0.55-Si1%/SiC钎焊接头的界面结构为：TC4/（α+β）-Ti+Ti2Cu/TixSiy+ZrxSiy/α-Ti+β-Ti+Ti2Cu/Ti（s,s）+TixCuy+CuxZry+Ni11Zr9/TiC+ZrC+TixSiy+ZrxSiy/SiC；TC4/B-Ti0.55-Six/SiC（x=0.5%，2%）接头的界面为：TC4/（α+β）-Ti+Ti2Cu/TixSiy+ZrxSiy/α-Ti+β-Ti+Ti2Cu/Ti（s,s）+TixCuy+CuxZry/TiC+ZrC+TixSiy+ZrxSiy/SiC。与 TC4/B-Ti0.46-Si0.5%/SiC钎焊接头相比，TC4/B-Ti0.55-Si0.5%/SiC钎焊接头具有更优异的抗剪性能。

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