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Al_2O_3陶瓷表面激光铜基合金化的试验研究

作　者: 郑兰兰
导　师: 王文先
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al2O3陶瓷 Nd:YAG固体脉冲激光横流连续CO2激光铜合金化
分类号: TQ174.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

陶瓷材料具有许多优异的性能,广泛应用于动力机械、机械行业、航空航天、热交换器以及大规模集成电路和电子元器件等方面。但由于其性脆及不宜加工等不可避免的缺点,限制了陶瓷的进一步广泛应用。将陶瓷表面进行改性处理以及与金属连接成复合零件是扬长避短扩大陶瓷应用的主要途径。利用表面改性技术将陶瓷表面合金化,不仅可以将表面层直接作为钎焊或扩散焊接中间层,而且使陶瓷表面的晶格结构、晶体缺陷、表面能以及表面应力状态等方面的性能发生了改变,这对提高陶瓷表面的润湿性、提高元素的扩散能力、降低焊接温度以及提高接头强度等方面都起到了重要作用。利用Nd:YAG固体脉冲激光器在Al2O3陶瓷表面进行铜合金化试验,研究了合金层厚度与激光加工工艺参数的关系,发现随着激光功率的增加或扫描速度的降低,熔宽和熔深都增加。其最佳工艺参数是脉冲宽度3 ms、电压为75 V、频率为20 Hz、离焦量11 mm、扫描速度5 mm·s-1、保护气体为Ar,保护方式为同轴和侧面保护,气体流量分别为25 L·min-1、15 L·min-1。陶瓷基体与合金层能形成连续的界面,合金层的厚度比较均匀,平均厚度为40～50μm。合金层中铜、氧、铝以化合物CuAlO2和α-Al2O3的形式存在。CuAlO2能够改善铜与陶瓷的润湿性,从而形成良好的合金层。但由于铜元素的大量烧损,合金层中铜的含量低于20%。用5Kw横流CO2激光器在陶瓷表面进行铜合金化试验,试验后分别对合金层微观形貌及性能进行了比较分析。本试验采用同步送粉及预置粉末的方法。其中预置粉末法的最佳工艺参数是激光功率450 W、扫描速度10mm·s-1、离焦量20 mm、保护气体为Ar,保护方式为侧面保护,气体流量为15 L·min-1,陶瓷基体与合金层能形成连续的界面,合金层的厚度比较均匀,平均厚度为150μm。合金层中铜、氧、铝以化合物CuO和α-Al2O3的形式存在;同步送粉的最佳工艺参数为激光功率500 W、扫描速度10 mm·s-1、离焦量20 mm、载粉气为Ar气,气流量为12 L·min-1,覆铜层厚度可达到180μm,包括纯铜区和冶金区,每个区域界限分明,铜在陶瓷中成镶嵌式结构,嵌入深度达到60μm,合金层具有明显的金属性能。由于陶瓷基体与铜的熔点相差太大,试验分析结果发现通过预铺粉末的方式试验时铜元素存在大量的烧损现象,而同步送粉的方式可以避免铜的大量烧损。本试验对裂纹产生的机理进行了分析。将锡青铜合金粉代替纯铜粉进行比较试验,分析结果表明用青铜的合金层中裂纹有所减缓。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-25
  1.1 选题背景及意义  11
  1.2 陶瓷的性能、分类与用途  11-12
  1.3 陶瓷表面合金化的主要方法及存在的问题  12-15
  1.4 陶瓷表面合金化国内外研究进展  15-17
  1.5 激光与材料之间的相互作用  17-19
    1.5.1 激光与粉末的相互作用  18
    1.5.2 激光与基材的相互作用  18-19
  1.6 影响激光表面合金化质量的因素  19-21
  1.7 激光合金材料的设计  21-22
  1.8 激光表面合金化存在的主要问题及预防措施  22-23
  1.9 本论文主要研究内容和技术路线  23-25
第二章试验设备及方法  25-33
  2.1 引言  25
  2.2 试验设备  25-28
  2.3 试验分析设备  28-29
  2.4 激光合金化试验材料  29-30
  2.6 激光合金化方法  30-32
  2.7 本章小结  32-33
第三章 Al_2O_3陶瓷表面Nd:YAG 脉冲激光纯铜合金化试验研究  33-41
  3.1 引言  33
  3.2 Al_2O_3 陶瓷表面Nd:YAG 脉冲激光铜合金化工艺性能研究  33-36
  3.3 Nd:YAG 固体激光铜合金化试验结果分析与讨论  36-40
    3.3.1 Al_2O_3 陶瓷表面脉冲Nd:YAG 固体激光铜合金化的外观图  36
    3.3.2 合金层显微组织分析  36-40
    3.3.3 物相分析  40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 Al_2O_3陶瓷表面Nd:YAG 脉冲激光青铜合金化试验研究  41-47
  4.1 引言  41
  4.2 Nd:YAG 固体脉冲激光锡青铜合金化试验结果分析与讨论  41-45
    4.2.1 Al_2O_3 陶瓷表面Nd:YAG 固体脉冲激光锡青铜合金化的外观图  41-42
    4.2.2 合金层显微组织分析  42-45
    4.2.3 物相分析  45
  4.3 本章小结  45-47
第五章 Al_2O_3陶瓷表面CO_2激光铜合金化试验研究  47-55
  5.1 引言  47
  5.2 Al_2O_3 陶瓷表面CO_2 激光铜合金化工艺性能研究  47-48
  5.3 预铺粉合金化试验结果分析与讨论  48-49
    5.3.1 合金层微观形貌分析  48-49
    5.3.2 结合机理分析  49
  5.4 同步送粉法合金化试验结果分析与讨论  49-53
    5.4.1 合金层微观形貌分析  49-52
    5.4.2 结合机理分析  52
    5.4.3 导电性能分析  52-53
  5.5 本章小结  53-55
第六章 Al_2O_3陶瓷表面激光合金层裂纹分析  55-61
  6.1 引言  55
  6.2 裂纹特征形貌  55-57
  6.3 裂纹形成机理分析及其影响因素  57-60
    6.3.1 热应力的影响  58-59
    6.3.2 合金材料的影响  59-60
  6.4 本章小结  60-61
第七章结论与建议  61-63
  7.1 结论  61-62
  7.2 对于下一步工作的建议  62-63
参考文献  63-69
致谢  69-70
攻读学位期间发表的学术论文及研究成果  70
攻读学位期间参加的研究项目  70

Al_2O_3陶瓷表面激光铜基合金化的试验研究

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