本文選題：TiC金屬陶瓷 + 釬焊�。� 參考：《重慶大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：TiC金屬陶瓷具有高硬度、高耐磨、耐高溫、抗氧化等特性,從而得到了普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。但TiC金屬陶瓷的耐沖擊性低、機(jī)械加工性差,極大限制了它的應(yīng)用。將其與其他金屬材料(如鋼)連接成復(fù)合構(gòu)件將進(jìn)一步擴(kuò)大其在工程中的應(yīng)用范圍。但TiC金屬陶瓷與金屬的物理、化學(xué)、力學(xué)性能差異極大,很難得到理想的連接界面,且接頭中容易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和較多的連接缺陷。因此,研究TiC金屬陶瓷與金屬的連接具有重要的實(shí)際意義。本文針對TiC金屬陶瓷與鋼的連接問題,開展了TiC金屬陶瓷/304不銹鋼(304SS)的釬焊、固相擴(kuò)散連接與部分瞬間液相連接研究工作。目前,陶瓷與金屬的焊接或連接多采用Ag-Cu基合金作為填充層,其中貴金屬Ag的含量大多大于50%,導(dǎo)致連接成本高,不便于工業(yè)生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用。另外,多數(shù)Ag-Cu基釬料連接的接頭服役溫度較低,大約500℃甚至低于500℃,使陶瓷在高溫結(jié)構(gòu)件上的使用受到限制。因此,有待開發(fā)新型低成本、高性能的釬料。以Cu作為活性釬料的基礎(chǔ)成分,依據(jù)鍵參數(shù)理論與吉布斯自由能的計(jì)算,選擇添加Ni、Mn和Nb元素作為Cu基活性釬料的組元,對TiC金屬陶瓷與304SS進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)。通過SEM、EDS和XRD等方法,研究了活性元素Nb的含量、工藝參數(shù)對TiC/CuNi MnNb/304SS釬焊界面微觀結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn),活性元素Nb與TiC發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成具有一定金屬性和陶瓷性的NbxCy化合物,對界面的物理化學(xué)性質(zhì)起到了過渡作用,界面結(jié)構(gòu)為304SS/σ/Cus.s/Nb6C5/Nb2C/αTi/TiC,揭示了CuNiMnNb合金釬料釬焊TiC/304SS的界面形成機(jī)制。Nb的含量、釬焊溫度和保溫時(shí)間直接影響界面結(jié)合強(qiáng)度,當(dāng)Nb含量8wt%、釬焊溫度1170℃、保溫時(shí)間15min時(shí),TiC/Cu52Ni32Mn8Nb8/304SS接頭的剪切強(qiáng)度高達(dá)92.5MPa。釬焊接頭的服役溫度一般在釬料熔化溫度以下,受釬料的熔點(diǎn)限制,而固相擴(kuò)散連接接頭相比釬焊接頭,其服役溫度受中間層熔點(diǎn)的影響較小,所以廣受關(guān)注。固相擴(kuò)散連接中,由于TiC金屬陶瓷與304SS的熱膨脹系數(shù)差別很大,在接合面附近將形成高的殘余應(yīng)力,降低這種殘余應(yīng)力的中間層選擇是實(shí)現(xiàn)可靠連接的關(guān)鍵。采用Ti-Nb-Cu中間層,在連接溫度925℃、保溫時(shí)間20min、連接壓力8MPa條件下,固相擴(kuò)散連接的TiC/304SS接頭的平均剪切強(qiáng)度為84.6MPa。剪切斷裂發(fā)生在近TiC/Ti連接界面的TiC金屬陶瓷內(nèi)部。分析發(fā)現(xiàn),TiC金屬陶瓷與中間層Ti之間形成連續(xù)的Ti原子過渡。Nb與Ti無限固溶,并且Nb的線膨脹系數(shù)與TiC金屬陶瓷極為接近,在接頭中可形成應(yīng)力緩沖區(qū)。Cu延展性很好,并且與304SS中的Fe、Cr等元素反應(yīng)不生成金屬間化合物,有利于接頭性能的提高。TiC/Ti-Nb-Cu/304SS恒壓固相擴(kuò)散連接的時(shí)間長、壓力大,在此基礎(chǔ)上為了促進(jìn)原子間的互擴(kuò)散,縮短連接時(shí)間,而引入了脈沖加壓技術(shù)。試驗(yàn)將中間層調(diào)整為Ti-Nb,連接溫度降低至890℃,保溫時(shí)間縮短至4~16min,對TiC/304SS進(jìn)行恒壓(10MPa)與脈沖加壓(2~10MPa)擴(kuò)散連接對比實(shí)驗(yàn)。通過對接頭中原子擴(kuò)散系數(shù)的理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),脈沖壓力確實(shí)有效的提高了原子的擴(kuò)散速度。當(dāng)保溫時(shí)間僅為10min時(shí),接頭的平均剪切強(qiáng)度已高達(dá)110 MPa,說明采用脈沖加壓擴(kuò)散連接技術(shù)不僅大幅度提高了連接效率,而且提高了連接接頭的力學(xué)性能。該接頭的斷口呈混合型斷裂的特征,即裂紋沿著TiC金屬陶瓷與界面反應(yīng)區(qū)間交替擴(kuò)展,這種斷裂方式消耗的能量更多,對應(yīng)的接頭強(qiáng)度更高,從而揭示了脈沖壓力對接頭性能的影響規(guī)律。固相擴(kuò)散連接工藝對待焊母材端面的粗糙度要求很高,而部分瞬間液相連接(PTLP)克服了這些缺點(diǎn),并一定程度上綜合了釬焊與固相擴(kuò)散連接的優(yōu)點(diǎn)。采用Ti-Cu-Nb金屬中間層,對TiC金屬陶瓷與304SS進(jìn)行了PTLP連接試驗(yàn)。在TiC金屬陶瓷一側(cè),Ti-Cu層在高于共晶點(diǎn)的連接溫度下熔化,與TiC金屬陶瓷、核心金屬層Nb產(chǎn)生界面反應(yīng);而在304SS一側(cè),Nb與304SS進(jìn)行固相擴(kuò)散,以形成具有固相擴(kuò)散特征的連接結(jié)構(gòu)。在連接溫度890℃、保溫時(shí)間10min、連接壓力10MPa條件下,TiC/Ti-Cu-Nb/304SS接頭剪切強(qiáng)度最高達(dá)106.7MPa,界面結(jié)構(gòu)為304SS/σ/Nb/Cu Ti/CuTi2/αTi/TiC。通過Ti-Cu化合物形成規(guī)律的理論計(jì)算,以及對PTLP工藝參數(shù)的優(yōu)化,為界面產(chǎn)物的生長控制提供理論依據(jù)。通過上述研究表明,選擇合適的連接工藝可以實(shí)現(xiàn)TiC金屬陶瓷與304SS的高強(qiáng)度連接。而合理的釬料/中間層設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的優(yōu)化,可促進(jìn)接頭中原子的擴(kuò)散與冶金反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高性能的連接,為TiC金屬陶瓷與異種材料的連接提供新的思路。
[Abstract]:TiC cermet has high hardness, high wear resistance, high temperature resistance, antioxidant properties, which has been widely used. But TiC metal ceramic impact resistance low, poor machinability, greatly limits its application. Compared with other metal materials (such as steel) with composite component it will further expand its scope of application in engineering physics. But, TiC metal ceramics and metal chemical, mechanical properties vary greatly, it is difficult to get ideal interface, and easy to produce residual force and more defects should be connected. Therefore, it has important practical significance to study TiC metal ceramic and metal connection according to the connection problems. TiC metal ceramics and steel, the TiC metal ceramic /304 stainless steel (304SS) brazed connection work connected with partial transient liquid diffusion in solid phase. At present, or even the welding of ceramics and metals The use of Ag-Cu alloy as filler layer, the content of noble metal Ag are greater than 50%, leading to the connection of high cost, not easy to widely used in industrial production. In addition, the joint most Ag-Cu based solder connection service temperature is low, about 500 C or less than 500 degrees, the ceramic used in high temperature structural parts Limited. Therefore, to develop a new type of low cost and high performance. The solder is based on Cu component of active filler, according to bond parameter theory and calculation of the Gibbs free energy, choose to add Ni, Mn and Nb elements as Cu based active filler metal element, the brazing of TiC ceramic metal and 304SS by SEM, EDS and XRD, the content of the active element Nb, variation of process parameters on the microstructure and properties of TiC/CuNi MnNb/304SS solder interface. Analysis shows that the active element Nb and TiC in chemical reaction, generate out NbxCy compound metal and ceramics, physical and chemical properties of the interface plays a role in the transition, the interface structure of 304SS/ alpha Sigma /Cus.s/Nb6C5/Nb2C/ Ti/TiC, reveals the content of brazing of CuNiMnNb alloy TiC/304SS the interface formation mechanism of.Nb, the brazing temperature and holding time directly affects the interfacial bonding strength, when the content of Nb 8wt%. The brazing temperature is 1170 degrees centigrade, holding time 15min, the service temperature of the shear strength of TiC/Cu52Ni32Mn8Nb8/304SS joints of 92.5MPa. solder joint is usually below melting temperature, the melting point of the solder, and solid phase diffusion bonding joint in soldered joints, the service temperature is affected by the middle layer of the lower melting point, so wide attention. The solid phase diffusion bonding because, TiC metal ceramic and 304SS thermal expansion coefficient difference is very big, in the engagement near the surface will form the high residual stress, reduce the residual Selection of interlayer stress is the key to realize the reliable connection. The Ti-Nb-Cu connection in the middle layer, 925 degrees Celsius temperature, holding time 20min, connect the pressure under the condition of 8MPa, the average shear strength of solid diffusion TiC/304SS connections of the 84.6MPa. shear fracture occurs near the TiC/Ti connection interface of TiC cermet. Internal analysis found that continuous Ti atomic transition.Nb and Ti solid solution is formed between TiC cermets and the middle layer of Ti, Nb and TiC and the linear expansion coefficient of metal ceramic is very close to the formation of stress buffer.Cu good ductility in the joint, and with 304SS in Fe, Cr and other elements do not generate reaction intermetallic compound can improve mechanical performance of.TiC/Ti-Nb-Cu/304SS constant pressure solid phase diffusion bonding time, pressure, on this basis, in order to promote inter diffusion, shorten the connection time, and introduces the pulse compression technology Test operation. The middle layer is adjusted to Ti-Nb, connect the temperature is reduced to 890 DEG C, the holding time shortened to 4~16min, the constant pressure of TiC/304SS (10MPa) and pulse pressure (2~10MPa) diffusion bonding experiments. Based on atomic diffusion coefficient in the joint theory calculations show that the pulse pressure does effectively improve the diffusion velocity of atom when the holding time is only 10min, the average shear strength of the joint has been as high as 110 MPa, the pulse pressure diffusion bonding technology not only greatly improved the efficiency, but also improve the mechanical properties of joints. The fracture of the joint is characteristic of mixed fracture, the crack along the TiC metal ceramic and interfacial reaction alternate interval extension, the fracture mode of more energy consumption, the joint strength corresponding to the higher, which reveals the influence of pulse pressure on mechanical properties of solid state diffusion bonding process on. The welding surface roughness is high, and the partial transient liquid phase bonding (PTLP) overcomes these shortcomings, and to a certain extent, the brazing and solid phase diffusion bonding. The advantages of using Ti-Cu-Nb metal intermediate layer, the PTLP connection test of TiC metal ceramic and 304SS. On the side of the TiC ceramic and metal. Connect the temperature above the eutectic point in Ti-Cu layer, and TiC metal ceramic, metal core layer Nb interfacial reaction; while in the side of 304SS, Nb and 304SS solid phase diffusion, and is formed by the connection structure. The solid phase diffusion characteristics in connection with 890 degrees Celsius temperature, holding time 10min, connect the pressure under the condition of 10MPa. The shear strength of TiC/Ti-Cu-Nb/304SS joints up to 106.7MPa, the calculation of interface structure of 304SS/ /Nb/Cu Ti/CuTi2/ Ti/TiC. formation of alpha sigma compounds by Ti-Cu theory, and the optimization of PTLP parameters, for the growth of the product interface Control provides a theoretical basis. Through the above study, select the appropriate high strength connection technology can achieve TiC cermets and 304SS connection. The solder / middle layer and reasonable design, optimization of process parameters, can promote the diffusion and reaction in metallurgical joint atoms, so as to realize the high efficiency, low cost, high performance connection and provide new ideas for the connection of TiC cermet with dissimilar materials.

【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG40;TQ174.6

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本文編號：1758702