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Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料的研究及其与c-BN的连接

作　者: 王毅
导　师: 邱小明
学　校: 吉林大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料 立方氮化硼 钎焊 连接 界面
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


立方氮化硼（Cubic Boron Nitride,简称c-BN）的硬度高,抗氧化性强,具有优越的物理、化学和热稳定性能,尤其是避免了金刚石制品加工铁基合金材料发生化学反应的局限性,被国际材料界作为金刚石的替代材料。c-BN制品非常适合加工黑色铁基合金材料、钛合金和高硅铝合金等硬度高韧性大的金属材料,广泛地应用在精密加工、石材加工、汽车制造、机械加工、建材、航空航天及新材料加工等领域。c-BN的延性与冲击韧度低,机械加工性能差,限制其二次开发应用。本文针对c-BN与金属基体连接困难,结合强度低,常在高温条件下工作等问题,开展了以Cu作为活性钎料的基础成分,添加Ni、Sn和Ti等元素的多元铜基活性钎料及其与c-BN连接技术的研究。采用二次回归混料试验设计方法,优化钎料成分;通过SEM、EDS和XRD等方法研究CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料钎焊c-BN的界面微观结构和组织,揭示了钎料与c-BN界面冶金结合形成机制;探讨了界面残余应力的分布。依据键参数理论计算及试验结果,选择Ti元素作为钎焊c-BN多元铜基活性钎料的活性元素。通过对In、Sn、Al、Ag、Pb、Bi和Ga等元素的筛选,并研究In和Sn元素对多元铜基活性钎料组织、性能及钎焊c-BN焊接性的影响,从而选择Sn元素作为多元铜基活性钎料的合金元素。试验研究确定多元铜基活性钎料的组元为Cu、Ni、Sn和Ti。活性元素Ti的含量对Cu-Ni-Sn-Ti系钎料与其钎焊c-BN的微观结构和性能有直接影响。Ti含量增加,钎料对c-BN的润湿性提高,钎料与c-BN间的相互作用加剧,相互作用产生的脆性化合物增多会降低钎料与c-BN界面结合强度,因此Ti含量需要进行优化设计。采用兼有上下界约束的极端顶点设计方法,对Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料成分进行优化分析,建立二阶规范多项式回归模型,计算得到用于钎焊c-BN的Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料的最佳成分,（wt%） Ti:11.1%;Sn:5.1%;Ni:5%,余量为Cu。采用DSC差热分析仪测得CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料的熔化温度区间为834.6-1000℃。粉状CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料对c-BN聚晶复合片的润湿角为28-30°,对c-BN颗粒的润湿性也很好。CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料钎焊c-BN颗粒,界面处Ti元素呈梯度分布,Ti与c-BN颗粒在界面处发生相互作用,实现化学冶金结合。研究工艺参数对CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料钎焊c-BN界面微观结构与性能的变化规律。结果表明,随着钎焊温度提高和保温时间延长,界面处钎料中的活性元素Ti与c-BN间的相互作用加剧,相互作用产生的新相增多,界面形成的反应层变宽,对CuNi5Sn5.1Ti11.1钎料/c-BN界面结合强度有直接影响。当真空度高于9.0×10-3Pa,钎焊温度T=1100℃,保温时间t=10min时,钎料/c-BN界面的结合强度较高。热力学和动力学分析表明,在钎焊过程中,钎料中的活性元素Ti与c-BN发生化学反应,生成具有一定金属性和陶瓷性的Ti-N和Ti-B化合物,对钎料与c-BN间的物理化学性质起到过渡作用,界面实现化学冶金结合,形成钎料/TiN/TiB/TiB2/c-BN的结构形式,有利于提高钎料与c-BN界面的结合强度,从而揭示了CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料钎焊c-BN界面的形成机制。采用有限元分析方法研究了CuNi5Sn5.1Ti11.1活性钎料钎焊c-BN界面连接的大小和分布,残余应力较大值出现在钎料与c-BN接触的最高点处。c-BN的包埋深度会影响界面残余应力的大小和分布。在c-BN包埋35%-75%范围内,随着包埋深度的增加,界面残余应力增大。考虑减小钎焊c-BN所产生的残余应力,满足c-BN颗粒的强度要求,c-BN颗粒的最佳包埋深度为30%-40%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章 绪论  13-26
  1.1 研究目的与意义  13-14
  1.2 活性钎料的研究进展  14-20
    1.2.1 活性钎料的要求  14-15
    1.2.2 银基活性钎料的研究进展  15-18
    1.2.3 高温活性钎料的研究进展  18-20
  1.3 c-BN的活性钎焊  20-25
    1.3.1 c-BN单晶的结构、性能和制备  20-24
    1.3.2 c-BN 的钎焊研究进展  24-25
  1.4 本文研究内容  25-26
第2章 试验材料与方法  26-34
  2.1 试验材料  26-27
  2.2 试验方法  27-34
    2.2.1 活性钎料的制备  27-28
    2.2.2 钎焊c-BN 试件的制备  28-29
    2.2.3 微观组织分析  29-30
    2.2.4 性能试验  30-33
    2.2.5 有限元分析  33-34
第3章 多元铜基活性钎料组元的选择  34-60
  3.1 钎料组元中活性元素的选择  34-41
    3.1.1 活性元素的筛选  34-36
    3.1.2 铜基钎料对c-BN 的润湿性  36-38
    3.1.3 铜基活性钎料的微观组织与钎焊冶金特性  38-41
  3.2 钎料组元中其它合金元素的选择  41-48
    3.2.1 其它合金元素的筛选  41-43
    3.2.2 In 对Cu-Ni-Ti-In 系钎料微观组织与钎焊性能的影响  43-45
    3.2.3 Sn 对Cu-Ni-Ti-Sn 系钎料微观组织与钎焊性能的影响  45-48
  3.3 Cu-Ni-Sn-Ti 系钎料钎焊c-BN 微观结构与性能  48-58
    3.3.1 Ti 对Cu-Ni-Sn-Ti 系钎料微观组织与钎焊性能的影响  48-50
    3.3.2 钎焊c-BN 颗粒的界面微观结构与性能  50-58
  3.4 本章小结  58-60
第4章 Cu-Ni-Sn-Ti 系活性钎料成分优化设计  60-73
  4.1 试验方案设计  60-63
    4.1.1 混料试验方法  60-61
    4.1.2 自然因素上下界与极端顶点的确定  61-62
    4.1.3 极端顶点设计方案与试验结果  62-63
  4.2 回归模型建立与优化分析  63-67
    4.2.1 回归方程的建立  63-64
    4.2.2 合金元素对钎焊性能的影响  64-66
    4.2.3 Cu-Ni-Sn-Ti 活性钎料成分优化分析  66-67
  4.3 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料的润湿性与钎焊冶金特性  67-72
    4.3.1 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料的熔化温度与润湿性  67-69
    4.3.2 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN 润湿机理  69-71
    4.3.3 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料钎焊c-BN 与45 钢基体的冶金特性  71-72
  4.4 本章小结  72-73
第5章 工艺参数对CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN 界面微观结构与性能的影响  73-92
  5.1 工艺参数对钎料/c-BN 界面微观结构与性能的影响  73-83
    5.1.1 钎焊温度的影响  73-77
    5.1.2 保温时间的影响  77-82
    5.1.3 真空度的影响  82-83
  5.2 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料钎焊c-BN 界面形成机制  83-89
    5.2.1 钎料与c-BN 界面热力学分析  83-85
    5.2.2 钎料与c-BN 界面动力学分析  85-89
  5.3 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料钎焊c-BN 的高温性能  89-91
  5.4 本章小结  91-92
第6章 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN 残余应力有限元分析  92-105
  6.1 有限元分析理论基础  92-97
    6.1.1 温度场有限元分析基本理论  92-94
    6.1.2 热弹塑性应力场有限元分析基本理论  94-96
    6.1.3 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 软件简介  96-97
  6.2 有限元模型的建立  97-99
    6.2.1 数学模型简化与假设  97
    6.2.2 模型建立与网格划分  97-99
  6.3 CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1) 活性钎料钎焊c-BN 残余应力分析  99-104
    6.3.1 残余应力的分布  99-101
    6.3.2 c-BN 包埋深度对残余应力的影响  101-104
  6.4 本章小结  104-105
第7章 结论  105-107
参考文献  107-116
攻博期间发表的学术论文及其它成果  116-117
致谢  117

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 钎焊
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