Al2O3陶瓷-Ti場助擴(kuò)散連接工藝及機(jī)理研究.pdf

1、Al2O3陶瓷具有具有強(qiáng)度高、硬度大、重量輕、介電常數(shù)小,耐熱沖擊強(qiáng)度大以及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良性能,但是陶瓷和金屬之間的擴(kuò)散連接具有連接溫度高,保溫時間長以及對連接設(shè)備要求嚴(yán)格等特點(diǎn),這樣會存在連接成本較高,生產(chǎn)效率低以及工藝復(fù)雜等問題。本文針對Al2O3陶瓷/Ti擴(kuò)散連接界面,從改善其連接溫度高、時間長以及對連接設(shè)備要求較高的角度出發(fā),在充分研究了無電場作用下Al2O3陶瓷/Ti直接擴(kuò)散連接界面微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,外加靜電

2、場,進(jìn)行Al2O3陶瓷/Ti的場助擴(kuò)散連接,研究了工藝參數(shù)對Al2O3陶瓷/Ti場助擴(kuò)散連接界面微觀組織結(jié)構(gòu)以及接頭力學(xué)性能的影響,并縱向比較了電場對不同連接溫度和連接時間下接頭力學(xué)性能的影響,分析了Al2O3陶瓷/Ti場助擴(kuò)散連接界面反應(yīng)行為的作用機(jī)理以及界面反應(yīng)層的形成過程,并計算了界面反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)。
　　通過對無電場作用下Al2O3陶瓷/Ti擴(kuò)散連接界面微觀組織結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)的分析,確定連接溫度900℃、保溫時間2

3、h和壓力5MPa為本研究條件下無電場作用時Al2O3陶瓷/Ti擴(kuò)散連接的最佳連接工藝參數(shù),此工藝參數(shù)下,接頭抗剪強(qiáng)度為73.3MPa,反應(yīng)層厚度為3.5μm,界面結(jié)構(gòu)為Al2O3/TiO2+TiAl/Ti3Al+Ti/Ti,其中,TiAl和Ti3Al分別彌散分布在TiO2層和Ti中。
　　在無電場作用下最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,對Al2O3陶瓷/Ti進(jìn)行了外加靜電場作用下的場助擴(kuò)散連接研究,研究結(jié)果表明,Al2O3陶瓷/Ti場助擴(kuò)散連

4、接界面的微觀結(jié)構(gòu)和無電場作用時相同,均為:Al2O3/TiO2+TiAl/Ti3Al+Ti/Ti;外加電場能夠促進(jìn)元素的擴(kuò)散和界面反應(yīng)的進(jìn)行,接頭抗剪強(qiáng)度由界面反應(yīng)層中彌散分布相的存在狀態(tài)以及殘余應(yīng)力決定;900℃,2h,5MPa的工藝條件下,外加1100V靜電場時,界面反應(yīng)層厚度為5μm,接頭抗剪強(qiáng)度為110.1MPa,和無電場作用下相比,界面反應(yīng)層厚度和接頭抗剪強(qiáng)度分別增加了42.9％和50.2%。
　　工藝條件不變的情況下,

5、可以通過施加電場來提高接頭的抗剪強(qiáng)度,以提高接頭的力學(xué)性能;在保證接頭抗剪強(qiáng)度一定的前提下,可以通過施加電場來降低連接溫度以及縮短連接時間,這能有效減小接頭的殘余應(yīng)力和高溫對母材組織及性能的不利影響,提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,并有利于控制構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性。
　　Al2O3陶瓷/Ti場致擴(kuò)散連接界面形成機(jī)制包括界面極化、靜電力作用下離子的界面鍵合以及原子的電遷移擴(kuò)散機(jī)制:在溫度一定的情況下,界面元素在外加電場和化學(xué)勢梯度的共同作用下擴(kuò)散遷

6、移,和無電場作用時相比,能夠提高界面原子擴(kuò)散遷移的速度,促進(jìn)界面反應(yīng);界面形成過程可分物理接觸階段、接觸表面的激活和極化以及界面反應(yīng)層的形成三個階段。
　　界面熱力學(xué)計算表明,反應(yīng)體系的生成自由能變?yōu)樨?fù)值,說明界面反應(yīng)過程可以自發(fā)進(jìn)行;界面動力學(xué)計算表明,電場可以提高原子的擴(kuò)散系數(shù),降低原子的擴(kuò)散激活能,外加300V電場時,和無電場作用下相比,O原子的擴(kuò)散系數(shù)提高了2.678倍,Al和Ti原子的擴(kuò)散系數(shù)分別提高了51.6%和45.