Ti-6Al-4V與SiC超聲波釬焊界面形成機(jī)理及工藝研究.pdf

1、碳化硅(SiC)陶瓷具有抗氧化性強(qiáng)、耐磨性能好、硬度高、熱穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良的性能,在機(jī)械、航天、石油、化工、核能、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。而Ti-6Al-4V鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn),使得它在航空航天,石油化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,并成為重要的結(jié)構(gòu)材料。研究SiC陶瓷/Ti-6Al-4V鈦合金復(fù)合構(gòu)件具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值,為此本文以SiC陶瓷和Ti-6Al-4V鈦合金為

2、主要研究對(duì)象,研究了超聲波作用下Al-12Si釬料對(duì)兩種材料的潤(rùn)濕結(jié)合特征,并提出了低應(yīng)力超聲波輔助釬焊工藝。
　　影響這兩種材料釬焊接頭力學(xué)性能的主要問(wèn)題有兩方面:大氣條件下釬料與SiC和Ti-6Al-4V的界面結(jié)合困難;兩種材料的線膨脹系數(shù)熱失配導(dǎo)致接頭殘余應(yīng)力較大。
　　通過(guò)研究超聲波作用下Al-12Si釬料與Ti-6Al-4V的相互作用行為,發(fā)現(xiàn)在界面處的Ti-6Al-4V表面形成了許多2-20μm左右的半球形溶蝕坑

3、,溶蝕坑的數(shù)量隨超聲波作用時(shí)間延長(zhǎng)而增多,但是其大小不變。該溶蝕坑主要由于近界面空化氣泡的崩潰造成。微射流的沖擊使得Ti-6Al-4V表面氧化膜局部破碎,并在高溫和聲流作用下Ti-6Al-4V被過(guò)度溶解,最后在界面處形成了不同的金屬間化合物(TiAl3和Ti7Al5Si12)。在隨后的超聲波作用下會(huì)發(fā)生TiAl3向Ti7Al5Si12轉(zhuǎn)變。若在施加短時(shí)間超聲波作用后進(jìn)行保溫處理,液態(tài)Al-12Si沿氧化膜與Ti-6Al-4V界面進(jìn)一步反

4、應(yīng),使得氧化膜浮起,并生成Ti7Al5Si12。當(dāng)保溫到一定時(shí)間TiAl3在靠近釬料側(cè)界面生成,并伴隨 Ti7Al5Si12向TiAl3的轉(zhuǎn)變。二次超聲波能夠使得浮起的氧化膜完全破碎。
　　通過(guò)研究超聲波作用下Al-12Si釬料與SiC的相互作用行為,發(fā)現(xiàn)在釬料鋪展最前沿形成了納米顆粒層,釬料借助于納米顆粒層向前鋪展。釬料鋪展后不能立刻潤(rùn)濕 SiC表面,與SiC表面的潤(rùn)濕結(jié)合需要一定的時(shí)間。超聲波作用后的保溫處理對(duì)鋪展?jié)櫇襁^(guò)程沒(méi)有

5、促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)之前的預(yù)氧化處理在SiC表面形成一層數(shù)百納米的非晶態(tài)SiO2層,超聲波作用下SiC表面非晶層上也有溶蝕坑形成。在溶蝕坑處發(fā)生反應(yīng) Al+SiO2→Al2O3+Si并原位生成晶態(tài)的Al2O3,實(shí)現(xiàn)了Al-12Si與SiC的反應(yīng)結(jié)合。
　　進(jìn)而使用Al-12Si釬料對(duì)Ti-6Al-4V和SiC進(jìn)行超聲波輔助釬焊。由于兩種材料的線膨脹系數(shù)熱失配,在接頭中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力最高值出現(xiàn)在近釬縫的SiC陶瓷側(cè)表面上，