BN-SiO2與Nb的釬焊連接工藝及機(jī)理研究.pdf

1、BN/SiO2陶瓷與Nb具有優(yōu)良的熱性能,二者常作為姿控發(fā)動機(jī)噴管的材料應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。但是,由于二者的線脹系數(shù)差別較大,連接過程中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力,給二者的釬焊連接帶來困難?；诖?本文選擇Ti-Ni高溫釬料對二者進(jìn)行了釬焊連接,并從緩解殘余應(yīng)力的角度出發(fā),添加了一種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間層,使液態(tài)釬料在該中間層的孔洞中填充和反應(yīng),最終實現(xiàn)接頭線脹系數(shù)的梯度過渡。特別是,通過接頭界面理論分析與有限元模擬計算,研究了復(fù)合中間層對BN/SiO

2、2陶瓷與Nb釬焊接頭的增強(qiáng)機(jī)理。
　　采用TiNi釬料成功實現(xiàn)了BN/SiO2陶瓷與Nb的直接釬焊。界面組織結(jié)構(gòu)為:Nb/(βTi,Nb)-TiNi共晶/TiNi+Ti2Ni/TiN+TiNi+TiNi3/TiN+Ti3O5+TiB2+Ti5Si3/BN-SiO2。在工藝參數(shù)為1140℃,保溫5min,Ti-Ni釬料原子配比為1:1時,接頭最高強(qiáng)度達(dá)到59MPa,此時斷裂發(fā)生在靠近界面的陶瓷母材中。隨加熱溫度的升高,(Ti,Nb)

3、固溶體聚集長大,釬縫中TiNi3相含量增多;隨保溫時間的延長,Nb母材溶解量增加,(Ti,Nb)-TiNi三元共晶區(qū)寬度增加,陶瓷母材側(cè)TiN+Ti3O5反應(yīng)層增厚。隨Ti與Ni原子比例的減小,釬縫中(Ti,Nb)固溶體含量減少,出現(xiàn)Ni3Nb化合物。
　　研究了上述釬焊接頭的界面形成機(jī)制及界面反應(yīng)過程,發(fā)現(xiàn)界面反應(yīng)的起始溫度為1100℃,最終形成的陶瓷母材側(cè)界面反應(yīng)層結(jié)構(gòu)為三層:TiB2+Ti5Si3+Ti3O5/Ti3O5/T

4、iN。建立了Nb母材向TiNi釬料中的溶解的動力學(xué)模型,最終推導(dǎo)出了釬縫中(Ti,Nb)-TiNi三元共晶區(qū)的寬度與時間的關(guān)系的表達(dá)式。
　　采用Ti-Ni/互穿網(wǎng)絡(luò)陶瓷復(fù)合中間層(以下簡稱互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合中間層)成功實現(xiàn)了BN/SiO2陶瓷與Nb的可靠連接。當(dāng)復(fù)合中間層厚度為100μm,多孔陶瓷中間層的孔隙率為50％時,接頭最高強(qiáng)度達(dá)到90MPa,比直接釬焊接頭提高了50%,斷裂發(fā)生在近界面的陶瓷中。研究發(fā)現(xiàn),隨多孔陶瓷厚度和孔

5、隙率的增加,接頭強(qiáng)度先增加后降低。中間層孔隙率愈高,釬料填充愈完全;當(dāng)多孔陶瓷厚度厚度小于等于80μm時,釬料可以完全浸透多孔陶瓷中間層。厚度大于等于150μm時未填充完全的多孔陶瓷成為接頭的薄弱環(huán)節(jié)。從動力學(xué)的角度分析了釬料在多孔陶瓷中的浸入行為。
　　為分析互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合中間層對焊后接頭殘余應(yīng)力的影響,推導(dǎo)了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合中間層的彈性模量與線脹系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,計算了殘余應(yīng)力理論值,證明復(fù)合中間層提高了接頭中釬料層與陶瓷母