Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo钢组织性能和数值模拟研究

摘要

Si3N4陶瓷具有优异的物理、化学及力学性能,具有广阔的应用前景,对氮化硅陶瓷与金属的连接研究具有重要的理论和实用价值。使用传统的含 Ti复合钎料钎焊 Si3N4陶瓷和金属时,由于 Ti的活性较高,在钎焊条件下会与大部分添加相发生强烈的作用,即使在低含量添加相条件下也会使界面反应层厚度大为降低并在接头中形成大量的脆性相。为利于接头形成机理的分析和有限元数值模拟研究工作的进行,本课题采用Ag-Cu-Ti+TiNp复合钎料钎焊连接Si3N4陶瓷和42CrMo钢,通过研究钎焊工艺参数、钎料组成成分对接头组织及性能的影响,结合 ANSYS有限元模拟,研究不同体积分数 TiNp添加量对接头残余应力的影响,并借助SEM、EDS、XRD和TEM等多种试验手段对接头的形成机理进行综合分析。
　　采用Ag-Cu-Ti+TiNp复合钎料钎焊 Si3N4陶瓷和42CrMo钢,钎焊工艺参数的变化仅对界面反应层厚度产生影响,并随着钎焊温度升高、保温时间延长,界面反应层增厚;当钎料内含4wt.％Ti时,界面反应层随复合钎料内TiNp含量的增加逐渐变薄,当复合钎料中 TiNp体积分数超过15vol.%,在接头中有大量Cu-Ti反应相出现,接头的四点弯曲强度随复合钎料中 TiNp体积分数的增加先增后减;当钎料内含15vol.%TiNp时,随 Ti含量的增加,界面反应层增厚,接头中 Cu-Ti反应相明显增多,接头的四点弯曲强度基本稳定。使用(Ag72Cu28)96Ti4+5vol.%TiNp钎料,在1173K保温5min时,接头的四点弯曲强度达到最高值376.11MPa,较未添加 TiNp的钎焊接头性能提升了近一倍(187.98MPa)。
　　通过有限元分析可知,应力集中现象主要出现在Si3N4陶瓷/42CrMo钢钎缝附近约5mm的区域,并在距离钎缝约0.3mm的Si3N4陶瓷一侧棱角处出现最大的轴向拉应力σxmax,裂纹容易在此萌生并沿近钎缝区的应力集中带扩展;随着与钎缝距离的增加,接头中的残余应力水平急剧降低。接头中最大的轴向应力σxmax随着钎料中 TiNp含量增加先减后增。在添加相体积分数为5vol.%时,接头中轴向残余应力最小,和实际获得的接头性能形成良好对应。
　　使用Ag-Cu-Ti+TiNp复合钎料钎焊 Si3N4陶瓷和42CrMo钢,得到的接头构成如下: Si3N4陶瓷/TiN+Ti5Si3反应层/Ag(s.s)+Cu(s.s)+TiNp+Cu-Ti反应相/TiC反应层/42CrMo钢。对钎料/42CrMo钢的界面反应层生长动力学进行分析发现,TiC界面反应层的生长速率受 C和Ti之间的反应控制,生长活化能为127.03 kJ/mol;钎缝中的TiNp添加相与Ag基固溶体不产生交互作用,而在TiNp/Cu基固溶体界面 Cu扩散进入 TiNp孔隙并在TiNp边缘区域形成 TiN1-x相;钎缝中的Cu-Ti金属间化合物主要在钎缝的Cu基固溶体中出现,其中初始析出相为Ti2Cu,最终析出相 TiCu4,Cu-Ti反应相遵循一定的规律沿着 Cu基固溶体中的某些晶面和晶向生长。

目录

Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo钢

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外陶瓷/金属连接研究现状

1.3 陶瓷/金属的钎焊连接研究

1.4复合钎料连接陶瓷/金属的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验用原材料及钎料制备

2.2 钎焊设备及钎焊工艺

2.3 钎焊接头组织结构分析及性能测试

第3章 Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo钢组织性能研究

3.1 复合钎料钎焊Si3N4 /42CrMo钢接头显微组织分析

3.2 钎焊工艺参数对Si3N4 /42CrMo 钢接头组织性能影响

3.3 钎料中TiN含量对Si3N4 /42CrMo 钢接头组织性能影响

3.4 活性元素Ti的补偿

3.5 本章小结

第4章 Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo钢接头热应力数值模拟

4.1 Si3N /42CrMo 钢接头热应力数值模型的建立

4.2 Si3N4 /42CrMo 钢接头应力场数值的模拟结果

4.3 不同TiNp含量Si3N4 /42CrMo 钢接头的数值模拟结果

4.4 模型的验证

4.5 本章小结

第5章 Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo钢连接机理研究

5.1 Ag-Cu-Ti+TiNp钎焊Si3N4陶瓷/42CrMo 界面连接机理

5.2 钎料合金区内反应机理研究

5.3 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢