金属/陶瓷发热元件的活性钎焊及低应力接头设计

摘要

发热元件是电热器具的心脏，而金属/陶瓷发热元件(简称MCH)具有升温快、温度补偿快、耐击穿、表面热量均匀等特点，同时具有高效节能、良好的阻燃性和抗振能力、耐温、防水、使用寿命长等优点，成为目前具有很好发展前景的发热元件，其基体部分Al2O3陶瓷+W合金层发热膜与金属Ni丝的钎焊接头质量是扩大其应用的关键所在。但由于烧结金属的目的性，使得W与Al2O3之间的强度要小于正常金属化的强度，使得采用预金属化方法存在一定的难度。本文采用活性钎料Ag-Cu-Ti来实现两者的钎接，研究了活性元素Ti与Al2O3陶瓷的反应机理、钎焊接头的残余应力分布及C纤维复合钎料的增强机理。 本文采用物质自由焓函数法，首先对Al2O3陶瓷与Ag-Cu-Ti钎料的界面反应Ti(L)+1/3Al2O3(s)→TiO(s)+2/3Al(L)进行了热力学计算，得出了活性元素Ti与Al2O3界面反应是一个吸热反应，其热力学计算公式为AG0T=9143-8.48T。依此界面反应式和经典的扩散理论对界面处反应层的生长机制和规律进行了试验和分析研究，认为反应层的长大主要受Ti的扩散控制。活性元素Ti的扩散不仅是在Al2O3中的扩散，还包括在反应层中的扩散，并且Ti的反应与扩散是互为动力与制约的，从而认为反应层是在Ti的反应与扩散中生长。本文重点研究了钎焊时间t和W合金层对反应层厚度d的影响，综合SEM试验分析结果，认为界面层的长大规律总体上符合Fick定律，即d与√t成正比，但由于受到一些因素的影响，使得试验值与理论值有一定的偏差；并且W合金层对Ti的扩散具有很大的“阻碍”和少许的“吸附”作用，从而间接减小了d。 钎焊接头存在很大的残余应力是导致MCH接头失效的主要原因之一，本文利用有限元软件MARC对接头的残余应力场进行了非线性分析。计算表明残余应力的最大值σmax均分布在Al2O3侧的边界附近，与钎焊界面保持一定的距离，这与试验中发现的MCH钎焊接头发生裂纹的位置是一致的。Ag-Cu-Ti钎料的厚度对残余应力有一定的影响，其基本规律是随着厚度增大，σmax峰值增大，并向Al2O3侧延伸，不过总体的应力分布趋势并没有大的变化。同时模拟计算结果还表明，Ag-Cu-Ti钎料的屈服强度σs对残余应力峰值有很大的影响，说明采用σs小的活性钎料能够很好的缓和接头的残余应力，从而提高接头强度。 Ag-Cu-Ti+C纤维复合钎料是利用降低钎料的热膨胀系数从而减缓MCH钎焊接头的残余应力的。本文利用复合材料理论中的混合定律和Eshelby理论预报了复合钎料的热膨胀系数、弹性模量和屈服强度，同时基于C纤维只是热膨胀系数各向异性材料的假设对复合钎料/Al2O3钎焊接头进行了模拟计算。结果表明，降低钎料/陶瓷两者间的热膨胀系数差可以显著降低钎焊接头的残余应力峰值，从而大大提高接头强度。可见，复合钎料的研制是解决金属/陶瓷钎焊接头高应力问题的主要途径。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1选题的目的和意义

1.2文献综述

1.2.1金属/陶瓷钎焊的特点及钎焊方法简介

1.2.2活性钎料的发展

1.2.3金属/陶瓷连接强度的影响因素

1.2.4减小或缓和残余应力集中的措施

1.3论文研究的主要内容

第二章试验材料及方法

2.1试验材料

2.2钎焊设备及工艺

2.3焊接接头力学性能测试

2.4焊接接头微观组织测试分析

第三章钎焊接头反应层的长大机制及对接头性能的影响

3.1 前言

3.2金属/陶瓷界面反应层的生成

3.2.1金属/陶瓷界面反应的热力学计算

3.2.2金属/陶瓷界面反应层的生长

3.3各因素对反应层生成厚度的影响

3.3.1反应层宽度d与钎焊时间t

3.3.2 W合金层对d的影响

3.4反应层对接头强度的影响

第四章MCH钎焊接头残余应力的数值模拟

4.1前言

4.2 MCH基体材料物理性能参数的设定

4.3 MCH钎焊接头残余应力的数值计算

4.3.1模型的建立

4.3.2二维模型的数值模拟

第五章复合钎料对MCH钎焊接头残余应力的影响

5.1 C纤维复合钎料增强接头性能的机理

5.1.1 C纤维的性能特点

5.1.2 C纤维增强复合钎料机理

5.2 C纤维复合钎料材料参数的确定

5.2.1热膨胀系数的确定

5.2.3弹性模量的确定

5.2.4屈服强度的确定

5.3复合钎料钎焊接头残余应力的数值计算

5.4 C纤维性能对钎焊接头残余应力的影响

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和专利

致谢