Cu-Ag-Ti2AlC釬焊體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其連接機(jī)理研究.pdf

1、Ti2AlC是一種典型的MAX相陶瓷材料，獨(dú)特的納米層狀結(jié)構(gòu)和多樣化成鍵特征使得Ti2AlC兼具陶瓷和金屬的優(yōu)良性能，這些優(yōu)異的綜合性能賦予Ti2AlC諸多潛在的工程應(yīng)用。Ti2AlC陶瓷自身及其與銅的連接既能夠解決大尺寸陶瓷制備困難的問題，又拓展了Ti2AlC的應(yīng)用范圍。本文使用BAg-8釬料釬焊了Ti2AlC和銅，研究了釬焊工藝參數(shù)對接頭組織和性能的影響，揭示了釬焊過程中Ti2AlC結(jié)構(gòu)的分解過程，闡述了Cu元素對Ti2AlC結(jié)構(gòu)穩(wěn)

2、定性的影響。然而，Ag和Ti2AlC陶瓷母材之間的交互作用是未知的，也未見諸報道。利用第一性原理，從熱力學(xué)的角度預(yù)測了Ag在Ti2AlC中的元素取代行為對陶瓷結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響。設(shè)計(jì)潤濕性實(shí)驗(yàn)對Ag元素在Ti2AlC中的取代行為進(jìn)行觀察。在此基礎(chǔ)上，使用Ag釬料釬焊Ti2AlC陶瓷，分析了接頭的連接機(jī)理。
　　使用BAg-8釬料釬焊Ti2AlC陶瓷和銅時，研究了釬焊溫度（800～900℃）和保溫時間（0～40min）對接頭的顯微組

3、織、剪切強(qiáng)度和導(dǎo)電性的影響。隨著釬焊溫度提高和保溫時間的延長，銅母材向釬料中的熔解加劇，交互作用區(qū)寬度增加，焊縫寬度減小，同時陶瓷母材的分解程度加劇，接頭剪切強(qiáng)度先升高后降低。在850℃保溫10min為最佳工藝參數(shù)，接頭剪切強(qiáng)度為156±2 MPa，達(dá)到陶瓷母材強(qiáng)度的87％，接頭電導(dǎo)率達(dá)到陶瓷母材電導(dǎo)率的280%。在900℃保溫10min的釬焊過程中，Ti2AlC中Al元素的損失促使Ti6C八面體和Al原子層發(fā)生重組，Ti2AlC轉(zhuǎn)化為

4、過渡產(chǎn)物Ti3AlC2，Ti3AlC2和Cu進(jìn)一步反應(yīng)分解為Ti C。
　　利用第一性原理計(jì)算分析了Ag取代Ti2AlC中Ti和Al的可行性和傾向性，研究了元素取代及取代比例對 Ti2AlC晶格參數(shù)、成鍵特征和穩(wěn)定性的影響。Ag可以取代Ti2AlC中12.5%的Al原子，Ag取代 Al引起Ti2AlC晶格參數(shù)c值的增加，a和b幾乎保持不變；Ti-Ag鍵取代Ti-Al鍵，鍵合強(qiáng)度的減弱降低了體系的穩(wěn)定性；Agd軌道電子的貢獻(xiàn)和Tid

5、軌道電子的填充提高了體系的導(dǎo)電性。Ag能夠取代Ti2AlC中12.5%的Ti原子，Ag取代Ti引起Ti2AlC晶格參數(shù)a和b的增加，c值沒有明顯變化；Ag取代Ti的位置并與近鄰原子形成Ag-Al鍵、Ag-C鍵、Ti-Ti反鍵和C-C反鍵，反鍵強(qiáng)度隨取代比例增加而增強(qiáng)，Ag原子近鄰位置的Ti-Al鍵強(qiáng)度被削弱，體系的穩(wěn)定性下降；取代過程中Agd電子對費(fèi)米能級處態(tài)密度的貢獻(xiàn)大于因失去Ti原子引起Tid電子的損失，體系導(dǎo)電性有所提高。

6、　　通過設(shè)計(jì)潤濕性實(shí)驗(yàn)獲得Ti2AlC/Ag交互作用區(qū)的高分辨透射樣品。利用球差校正掃描透射顯微技術(shù)觀察了1030℃保溫5min得到的Ti2AlC/Ag交互作用區(qū)內(nèi)的顯微組織，實(shí)驗(yàn)證明，Ag能夠取代Ti2AlC中的Ti原子和Al原子，并以單個原子或納米偏聚的形式存在。對Ag在Ti2AlC中的取代行為及其對Ti2AlC晶格參數(shù)和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算能夠較好地吻合。從Ti2AlC[0001]取向能夠觀察到Ag取代Ti原

7、子引起晶格參數(shù)a的增加，從Ti2AlC[1210]取向可以觀察到Ag同時取代Ti原子和Al原子，晶格常數(shù)a和c均有增加。Ag納米偏聚能夠存在的臨界尺寸為9.072nm，當(dāng)富Ag區(qū)域的尺寸小于9.072nm時，Ag以納米偏聚的形式存在，Ag的取代行為產(chǎn)生的晶格畸變可以通過晶格錯配得到協(xié)調(diào)；當(dāng)富Ag區(qū)域的尺寸大于9.072nm時，晶格畸變量只能通過層錯等缺陷的形成來協(xié)調(diào)，在極限尺寸范圍內(nèi)，Ag仍然以納米偏聚的形式存在，超過極限尺寸，Ag在缺

8、陷的基礎(chǔ)上形核長大并以納米孿晶或多晶體的形式存在。然而，Ti2AlC的本征結(jié)構(gòu)并不因?yàn)锳g的取代行為而發(fā)生轉(zhuǎn)變或分解，仍然能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)觀察中，不僅發(fā)現(xiàn)Ag取代行為引起的晶格參數(shù)變化程度與理論計(jì)算結(jié)果吻合，另外還發(fā)現(xiàn)了Ag在Ti2AlC中的偏聚現(xiàn)象，這種偏聚現(xiàn)象是由晶格畸變的尺寸效應(yīng)造成的。
　　將實(shí)驗(yàn)溫度由1030℃提高至1080℃，在Ti2AlC/Ag交互作用區(qū)內(nèi)，局部區(qū)域的Ti2AlC晶格完全被4H-Ag的晶格

9、所取代，該區(qū)域的Ag以密排六方結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，并與Ti2AlC之間存在特定的位向關(guān)系，說明在一定條件下，Ag的取代能夠促使Ti2AlC結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。另外，晶界附近局部區(qū)域的Ti2AlC轉(zhuǎn)變?yōu)榉粹}鈦礦結(jié)構(gòu)的Ti3AlC，并與晶界處立方結(jié)構(gòu)的Ag保持特定的位向關(guān)系。
　　使用Ag釬料釬焊 Ti2AlC陶瓷，Ag通過晶間滲入和晶內(nèi)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)陶瓷的連接。隨著釬焊溫度的提高（980～1080℃），接頭的剪切強(qiáng)度和電導(dǎo)率先增加后降低。在103