Si3N4陶瓷與Invar合金釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、Si3N4陶瓷是目前國內(nèi)外導(dǎo)彈天線罩主導(dǎo)材料之一，具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的介電性能以及較好的抗侵蝕性能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，陶瓷天線罩往往需要與金屬連接環(huán)進(jìn)行可靠連接從而實(shí)現(xiàn)與基體部件的裝配。Invar合金是典型的低膨脹合金，常被作為金屬連接環(huán)使用材料。為了克服膠接接頭強(qiáng)度較低和易老化的缺點(diǎn)以及解決機(jī)械連接引起的附加重量問題，本文采用Ag-Cu-Ti活性釬料實(shí)現(xiàn)對Si3N4陶瓷和Invar合金的可靠連接，通過試驗(yàn)與理論綜合分析研究釬焊溫

2、度、保溫時(shí)間和釬料層厚度對接頭組織和性能的影響?；谝簯B(tài)釬料對Invar合金的溶解機(jī)制，設(shè)計(jì)中間層，從而控制接頭組織和提高接頭力學(xué)性能。結(jié)合試驗(yàn)與理論綜合分析接頭組織形成機(jī)理。
　　采用Ag-30Cu-2Ti釬料釬焊Si3N4陶瓷和Invar合金，接頭的典型結(jié)構(gòu)為：Si3N4陶瓷/TiN+Fe2Ti/Ag(s,s)+Cu(s,s)+Fe2Ti+AlNi2Ti/Invar合金。釬焊工藝參數(shù)和釬料層厚度主要影響接頭中金屬間化合物的形成

3、和分布以及陶瓷側(cè)界面反應(yīng)層厚度。隨著釬焊溫度的升高、保溫時(shí)間的延長或釬料層厚度的增加，接頭中金屬間化合物數(shù)量增加，尺寸增大，陶瓷側(cè)界面反應(yīng)層增厚，接頭抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。在本研究范圍內(nèi)，使用Ag-Cu-Ti釬料釬焊Si3N4/Invar接頭最佳工藝參數(shù)和釬料層厚度為：850℃保溫10min，當(dāng)釬料層厚度為80μm時(shí)，接頭獲得最高剪切強(qiáng)度為206MPa。
　　從熱力學(xué)角度分析，采用Ag-Cu-Ti釬料所得Si3N4/Inva

4、r釬焊接頭中各相(焊縫中Fe2Ti和AlNi2Ti化合物及陶瓷側(cè)TiN和Fe2Ti反應(yīng)層)是可以形成的，結(jié)合SEM、EDS、XRD及TEM多種分析方法證實(shí)了這四種物相的存在。采用Ag-Cu-Ti釬料釬焊Si3N4/Invar接頭的連接機(jī)理為：在釬焊升溫過程中，釬料熔化，液態(tài)釬料中活性元素Ti向兩側(cè)母材擴(kuò)散和富集。在陶瓷一側(cè)，Ti與Si3N4反應(yīng)，緊靠陶瓷形成TiN反應(yīng)層，當(dāng)TiN層增厚到一定程度，Ti與來自Invar合金中的Fe反應(yīng)，在

5、TiN反應(yīng)層/釬料界面處形成Fe2Ti反應(yīng)層；在靠近Invar合金一側(cè)，Ti與從Invar合金中溶解進(jìn)入液態(tài)釬料中的Fe、Ni以及來自陶瓷中的Al反應(yīng)，在液態(tài)釬料中形成Fe2Ti和AlNi2Ti金屬間化合物。
　　根據(jù)液態(tài)釬料對Invar合金的溶解機(jī)制，設(shè)計(jì)Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu這種釬料+中間層的多層復(fù)合方式釬焊Si3N4陶瓷與Invar合金，成功抑制了焊縫中Fe2Ti和AlNi2Ti金屬間化合物的產(chǎn)生并緩解了接頭中的

6、殘余應(yīng)力。接頭典型結(jié)構(gòu)為：Si3N4陶瓷/TiN+Ti5Si3反應(yīng)層/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Cu(s,s)/Ag(s,s)+Cu(s,s)/Invar合金。探究了Cu中間層厚度對Si3N4陶瓷/Invar合金接頭組織和性能的影響，采用Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu多層釬料所得接頭抗剪強(qiáng)度高于Ag-Cu-Ti釬料所得接頭，當(dāng) Cu中間層厚度為80μm時(shí)，得到最大的接頭抗剪強(qiáng)度為238MPa，比僅使用Ag-Cu-Ti釬料所得接

7、頭強(qiáng)度提高了16％。
　　采用Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu釬料釬焊Si3N4/Invar接頭的連接機(jī)理為：在釬焊升溫過程中，Ag-Cu(靠近 Invar)、Ag-Cu-Ti(靠近陶瓷)釬料先后熔化，Cu中間層向兩側(cè)液態(tài)釬料中部分溶解，固態(tài)Cu中間層阻礙Ag-Cu-Ti釬料中的活性元素Ti向Invar合金一側(cè)擴(kuò)散。而Ag-Cu-Ti釬料中的Ti擴(kuò)散到陶瓷一側(cè)，與Si3N4反應(yīng)形成TiN+Ti5Si3反應(yīng)層。在釬焊完成的冷卻過程