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原位自生TiB晶须增强Al2O3/TC4钎焊接头组织结构及性能研究

作　者: 杨敏旋
导　师: 何鹏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al2O3 TC4 TiB 晶须 钎焊 原位自生 组织结构
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


具有高熔点、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能及抗辐射、耐高频高压绝缘等电气性能的陶瓷材料与具有良好塑韧性金属材的高质量连接一直是工程材料应用研究的重点。钎焊对连接性能差异较大的材料和熔化敏感的材料具有独特优点，因此广泛用于陶瓷与金属的连接，但如何避免因陶瓷与金属间冶金不相容和物性不匹配而产生的钎焊接头残余热应力是目前亟待解决的问题。本课题以降低陶瓷/金属接头残余热应力，提高接头的室温强度和高温强度为目标，将原位自生技术与钎焊相结合，提出一种利用原位自生的TiB晶须增强陶瓷/金属钎焊接头的方法，采用机械混合方法制备的AgCuTi+B、CuTi+TiB2和Cu+TiB2复合钎料钎焊Al2O3和TC4，研究了原位自生的TiB晶须对接头界面组织及力学性能的影响，并揭示了TiB在钎焊过程中的生成机制。通过对钎焊接头界面组织所进行的SEM、EDS、XRD和TEM分析，采用AgCuTi+B复合钎料钎焊Al2O3与TC4时，接头界面组织结构为：Al2O3/Ti3（Cu,Al）3O/Ti2Cu+Ti2（Cu,Al）/Ag（s.s）+TiCu+Ti（Cu,Al）+Ti2Cu+TiB/（αTi）+Ti2Cu/TC4。当B添加过量或Ti添加量不足时，接头中出现TiB2颗粒。随B粉添加量增大，Ti3（Cu,Al）3O层不变，TiB晶须生成量增加。随Ti粉添加量增大，Ti3（Cu,Al）3O层增厚，Ti2Cu和Ti2（Cu,Al）混合区先增厚后减薄，TC4向钎料中的溶解量减小。随钎焊温度升高或保温时间延长，Ti3（Cu,Al）3O可与Al2O3进一步反应生成TiO，TC4向钎料中的溶解量增大，钎缝中Ti2Cu和Ti2（Cu,Al）生成量增大，Ti2Cu和Ti2（Cu,Al）混合区增厚。采用CuTi+TiB2或Cu+TiB2复合钎料钎焊Al2O3与TC4时，接头界面组织结构均为Al2O3/Ti3（Cu,Al）3O+Ti4（Cu,Al）2O/Ti2Cu+Ti2（Cu,Al）+Ti3Al/Ti2（Cu,Al）/Ti2Cu+AlCu2Ti+TiB/（αTi）+Ti2Cu/TC4。随TiB2添加量增大，TiB晶须生成量增加，钎缝中先出现Ti2（Cu,Al）组成区，继而该区变得连续并逐渐向Al2O3侧移动。随Ti添加量增大，Ti2Cu晶界处出现（αTi）+Ti2Cu组织，钎缝中由Ti2（Cu,Al）组成的区域变连续并逐渐增厚，AlCu2Ti逐渐减少并消失。随钎焊温度升高和保温时间延长，Ti3（Cu,Al）3O和Ti4（Cu,Al）2O组成区增厚；TC4向钎料中溶解量增大，Ti2Cu生成量增多，而Ti2（Cu,Al）先增加后减小，且其组成区远离Al2O3；Ti2Cu晶界处的Ti3Al增加，Ti2（Cu,Al）和AlCu2Ti消失。TiB晶须由钎料中的B或TiB2与Ti在钎焊过程发生的原位反应而生成，并随B原子在TiB中的扩散而生长。原位自生的TiB尺寸和形貌受B源类型及其添加量、钎焊温度和保温时间的影响。添加B粉时生成的TiB比添加TiB2时生成的TiB细小。接头中TiB的生成量增多时，TiB逐渐由单独分布变为簇状分布，且其尺寸先增加后减小。随钎焊温度升高和保温时间延长TiB尺寸和生成量逐渐减小。而熔化钎料在Al2O3表面的润湿铺展性能则随钎料中添加B或TiB2量的增加而下降。通过有限元模拟Al2O3/TC4钎焊接头的残余应力，最大残余拉应力产生在Al2O3拐角处，最大残余剪应力产生在靠近Al2O3/钎缝界面的Al2O3与钎缝中。随接头中TiB生成量增加，Al2O3中的最大残余拉应力减小，但靠近Al2O3/钎缝界面的Al2O3与钎缝处最大残余剪应力增大，而且Al2O3中的等效残余应力减小，钎缝中的等效残余应力增大。当接头断裂时，TiB晶须使裂纹扩展时发生偏转，由于TiB的弹性模量高于钎缝的弹性模量，使接头内模量载荷发生转移，将应力从裂纹尖端转移至远离裂纹尖端区域，从而降低裂纹尖端应力集中，提高接头抗剪强度。测试环境为室温时，Al2O3/CuTi+TiB2/TC4钎焊接头的最大抗剪强度为143MPa，比Al2O3/CuTi/TC4钎焊接头的抗剪强度提高了239%；Al2O3/Cu+TiB2/TC4钎焊接头的最大抗剪强度为97MPa，比Al2O3/Cu/TC4钎焊接头的抗剪强度提高了269%；Al2O3/AgCuTi+B/TC4钎焊接头的最大抗剪强度为78MPa，比Al2O3/AgCuTi/TC4钎焊接头的抗剪强度提高了81%。TiB晶须高熔点及大长径比的特性，使其作为陶瓷骨架存在于钎缝中，有效提高钎焊接头高温性能，Al2O3/Cu+TiB2/TC4钎焊接头在高温下的抗剪强度比Al2O3/Cu/TC4的钎焊接头提高40125%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章 绪论  14-39
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  14-15
  1.2 陶瓷/金属接头残余应力的研究现状  15-33
    1.2.1 添加中间层法  16-25
    1.2.2 复合钎料法  25-33
  1.3 钎焊接头中增强相的选择  33-37
  1.4 本文的主要研究内容  37-39
第2章 试验材料及方法  39-46
  2.1 试验材料制备及研究方案  39-42
    2.1.1 被焊材料  39-40
    2.1.2 复合钎料成分设计及制备工艺  40-42
  2.2 试验设备及钎焊工艺  42-43
    2.2.1 试验设备  42-43
    2.2.2 钎焊工艺  43
  2.3 微观组织分析及性能测试  43-46
    2.3.1 微观组织分析  43-44
    2.3.2 力学性能测试  44-45
    2.3.3 钎料在 Al_2O_3表面的润湿及铺展性能测试  45-46
第3章 Al_2O_3/Ag 基复合钎料/TC4 钎焊接头组织结构  46-70
  3.1 引言  46
  3.2 Ag 基复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  46-50
    3.2.1 AgCuTi+B 复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  46-49
    3.2.2 AgCuTi+TiB_2复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  49-50
  3.3 钎料成分对 Al_2O_3/AgCuTi+B/TC4 接头组织结构的影响  50-59
    3.3.1 B 添加量对接头组织结构的影响  50-52
    3.3.2 Ti 添加量对接头组织结构的影响  52-59
  3.4 钎焊工艺对 Al_2O_3/AgCuTi+B/TC4 接头组织结构的影响  59-63
    3.4.1 钎焊温度对接头组织结构的影响  59-62
    3.4.2 保温时间对接头组织结构的影响  62-63
  3.5 Al_2O_3/AgCuTi+B/TC4 钎焊接头的形成机制  63-68
  3.6 本章小结  68-70
第4章 Al_2O_3/Cu 基复合钎料/TC4 钎焊接头组织结构  70-93
  4.1 引言  70
  4.2 Cu 基复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  70-77
    4.2.1 CuTi+TiB_2复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  70-74
    4.2.2 CuTi+B 复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  74-75
    4.2.3 Cu+TiB_2复合钎料钎焊 Al_2O_3与 TC4  75-77
  4.3 钎料成分对 Al_2O_3/Cu 基复合钎料/TC4 接头组织结构的影响  77-81
    4.3.1 Ti 添加量对接头组织结构的影响  77-79
    4.3.2 TiB_2添加量对接头组织结构的影响  79-81
  4.4 钎焊工艺对 Al_2O_3/Cu 基复合钎料/TC4 接头组织结构的影响  81-86
    4.4.1 钎焊温度对接头组织结构的影响  81-84
    4.4.2 保温时间对接头组织结构的影响  84-86
  4.5 Al_2O_3/Cu+TiB_2/TC4 钎焊接头的形成机制  86-91
  4.6 本章小结  91-93
第5章 TiB 的形成机制及其对钎缝成形的影响  93-111
  5.1 前言  93
  5.2 TiB 的形成机制  93-96
  5.3 钎料成分及钎焊工艺对原位自生 TiB 形貌的影响  96-102
    5.3.1 钎料成分对 TiB 形貌的影响  96-100
    5.3.2 钎焊工艺对 TiB 形貌的影响  100-102
  5.4 TiB 对钎缝成形的影响  102-105
  5.5 TiB 对钎料在 Al_2O_3表面润湿性及铺展性的影响  105-110
  5.6 小结  110-111
第6章 Al_2O_3/TC4 钎焊接头的力学性能  111-140
  6.1 引言  111
  6.2 Al_2O_3/TC4 钎焊接头残余应力的有限元分析  111-127
    6.2.1 有限元分析理论  111-115
    6.2.2 母材与钎缝组织的材料参数  115-117
    6.2.3 有限元模型的建立  117-118
    6.2.4 钎焊接头的残余应力  118-127
  6.3 钎料成分对 Al_2O_3/TC4 钎焊接头抗剪强度的影响  127-134
    6.3.1 B 或 TiB_2含量对接头抗剪强度的影响  127-132
    6.3.2 Ti 添加量对接头抗剪强度的影响  132-134
  6.4 钎焊工艺对 Al_2O_3/TC4 钎焊接头抗剪强度的影响  134-137
    6.4.1 钎焊温度对接头抗剪强度的影响  134-136
    6.4.2 保温时间对接头抗剪强度的影响  136-137
  6.5 Al_2O_3/TC4 钎焊接头的高温抗剪强度  137-139
  6.6 本章小结  139-140
结论  140-142
参考文献  142-153
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  153-156
致谢  156-157
个人简历  157

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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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