3D-SiO_%282%29-fiber中间层对SiC与Nb真空钎焊的影响.pdf
《3D-SiO_%282%29-fiber中间层对SiC与Nb真空钎焊的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《3D-SiO_%282%29-fiber中间层对SiC与Nb真空钎焊的影响.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、3D-SiO2-fiber 中间层对 SiC 与 Nb 真空钎焊的影响马蔷1,2,3,王涛1,陈永威1,何鹏2,3,陈晓江3,金晓3,郑斌3(1.江苏科技大学,江苏省先进焊接技术重点实验室,镇江,212003;2.哈尔滨工业大学,先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001;3.浙江信和科技股份有限公司,金华,321016)摘要:缓解异种材料钎焊接头残余应力过程中,针对颗粒增强相添加量少、团聚等问题,引入一种新型三维 SiO2短纤维编织,呈疏松、多孔结构的复合材料中间层(3D-SiO2-fiber)辅助 SiC 陶瓷与 Nb 钎焊连接.采用 SEM,XRD 和电子万能试验机等对活性钎料在
2、 3D-SiO2-fiber 中间层表面润湿性、接头微观组织和力学性能进行表征与分析.结果表明,当 Ti 元素含量从 4.5%增加到 6.0%,AgCu-Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 中间层表面润湿角从 90降低到3,润湿性得到显著改善,且 AgCu-Ti 活性钎料浸入 3D-SiO2-fiber 中间层深度不断增加;随着钎焊温度的提高(950 980)及保温时间(10 25 min)的延长,SiO2短纤维与 AgCu-6.0Ti 活性钎料反应逐渐充分.该方法不仅保证 SiO2短纤维能够大量添加到合金钎料中,而且形成 Cu3Si,TiSi,-Ti 及 Ti2Cu 颗粒相弥散分布
3、于焊缝中,从而有效缓解钎焊接头残余应力,提高接头力学性能,实现陶瓷与金属复合构件的可靠连接.创新点:(1)引入一种新型三维 SiO2短纤维编织的复合材料中间层辅助 SiC 与 Nb 钎焊.(2)接头中形成大量弥散分布的颗粒相,有效缓解接头残余应力.关键词:残余应力;复合材料中间层 3D-SiO2-fiber;活性钎料;微观组织;力学性能中图分类号:TG454文献标识码:Adoi:10.12073/j.hjxb.202209300020序言SiC 陶瓷凭借其优异的高温力学性能,极好的热震稳定性和良好的耐辐射性在航空航天和核工业领域广泛应用1-2,但 SiC 陶瓷硬度大难以制备大尺寸、复杂结构件,
4、所以在其制造和使用过程中常要通过金属连接环实现与基体部件的连接.金属铌凭借其高比强度、低密度及良好耐腐蚀性等优异性能而成为连接环的优选原料3-5,因此实现 SiC 陶瓷与铌高质量、可靠连接具有重要的科学与实际应用意义.目前钎焊是最适合陶瓷与金属连接的方法之一6-8,当 SiC 陶瓷与铌复合构件进行钎焊连接时,由于两种材料热膨胀系数差异较大,导致 SiC-Nb 接头中产生较大残余应力,难以实现复合构件的高质量甚至于有效连接9.Zhao 等人10设计纳米 Si3N4颗粒增强 AgCu复合钎料辅助 Si3N4陶瓷和 TC4 合金的钎焊连接,研究发现 Si3N4颗粒的加入,有效抑制连续的 Ti-Cu
5、脆性反应层形成,促进银基复合材料的形成,从而优化接头的微观组织,提高接头性能;Huang 等人11-13分别采用碳纤维、Ti+C 混合粉末以及 TiC颗粒增强 AgCuTi 活性钎料对 Cf/SiC 复合材料与钛合金进行钎焊连接,研究发现适量的增强相能够有效缓解接头残余应力,若增强相添加量过多则导致其在接头中发生团聚,降低接头力学性能;Wang等人14-15采用石墨烯增强泡沫铜辅助 Cf/C 复合材料和金属铌钎焊,试验结果显示高质量的石墨烯在泡沫铜上均匀分布,再加上泡沫铜的特殊结构,在两者的共同作用下,石墨烯能在焊缝中弥散分布,室温下的接头强度达到 43 MPa.文中提出一种新型的三维 SiO
6、2短纤维编织且呈疏松、多孔结构的中间层(3D-SiO2-fiber)辅助SiC 陶瓷与铌钎焊连接.引入 3D-SiO2-fiber 中间层能够实现 SiO2短纤维大量加入到焊缝中,使接头中形成良好的热膨胀系数梯度过渡,缓解接头残余应力,提高接头强度,实现 SiC 与铌复合构件的高质量连接.收稿日期:20220930基金项目:国家自然科学基金青年科学基金资助项目(52105350)第44卷第8期2 0 2 3 年 8 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(8):21 27August 20231试验方法试验采用 S
7、iC 陶瓷和铌为母材,钛和 Ag-22.5Cu(质量分数,%)箔片为活性钎料,3D-SiO2-fiber 复合材料为中间层.采用金刚石内切圆将SiC 陶瓷切割成 5 mm 5 mm 5 mm 的试样,采用电火花线切割将铌分别切割成 5 mm 5 mm 5 mm 和 10 mm 10 mm 5 mm 的试样,用于微观组织观察和力学性能测试;将切割好的母材用80 号砂纸打磨后,将其浸入丙酮溶液中进行超声清洗 10 min,风化后等待后续试验用;采用扫描电子显微镜(SEM)观察接头界面组织形貌,X-射线衍射分析仪(XRD)确定接头微观组织,电子万能试验机测试接头的抗剪强度.2结果与讨论文中系统研究活
8、性钎料在 3D-SiO2-fiber 复合材料中间层表面润湿性及钎焊温度(950 980),保温时间(10 25 min)对 3D-SiO2-fiber 在接头中的分散性、形貌及接头微观组织的影响,其它固定试验参数为中间层的尺寸为 5 mm 5 mm 0.2 mm,AgCu 箔片的尺寸为 5 mm 5 mm 0.1 mm.2.13D-SiO2-fiber 中间层的微观形貌及相组成3D-SiO2-fiber 中间层表面微观形貌及 XRD 图谱如图 1 所示.结合 XRD 分析结果可以得知,3D-SiO2-fiber 中间层是以三维编织的 SiO2短纤维为主体,熔石英作为填充物,且呈疏松、多孔结构
9、的复合材料.2.2AgCu-Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 中间层表面润湿性向焊缝中大量添加均匀分布的增强相,对钎焊接头中形成良好热膨胀系数梯度过渡起到至关重要的作用,能够有效减少接头中因陶瓷脆性大及润湿性差而形成的裂纹、孔洞等缺陷16,为保证 3D-SiO2-fiber 能够被大量添加到焊缝中且均匀分布,AgCu-Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 中间层表面的润湿性的研究至关重要.当加热温度为 970,保温时间为 10 min 时,AgCu-4.5Ti 和 AgCu-6.0Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 复合材料表面润湿角形貌分别如图 2 所示.图 2
10、a AgCu-4.5Ti 活性钎料在3D-SiO2-fiber 复合材料表面润湿角为 90,表明活性钎料中 Ti 元素含量为 4.5%时,活性钎料在 3D-ASiO2 纤维熔石英孔500 m100 m(a)3D-SiO2-fiber 表面微观形貌(b)A 区域的放大(c)XRD 图谱0204060801002040衍射角 2/()衍射强度 I(cps)60SiO280100 图13D-SiO2-fiber 中间层微观形貌及 XRD 分析结果Fig.1MicrostructureandXRDprofilesof3D-SiO2-fiberinterlayer.(a)microstructure o
11、f 3D-SiO2-fiberinterlayer;(b)enlargedviewofareaA;(c)XRD 903(a)AgCu-4.5Ti(b)AgCu-6.0Ti 图2AgCu-Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 复合材料表面润湿角Fig.2WettingangleofAgCu-Tibrazingalloyonthesu-rfaceof3D-SiO2-fibercomposite.(a)AgCu-4.5Ti;(b)AgCu-6.0Ti22焊 接 学 报第44卷SiO2-fiber 复合材料表面润湿性差;当活性钎料中Ti 元素含量为 6.0%时,活性钎料在 3D-SiO2-fi
12、ber复合材料表面润湿角为 3,润湿性得到极大改善,如图 2b 所示.以上润湿结果表明,AgCu-6.0Ti 活性钎料在 3D-SiO2-fiber 复合材料表面润湿性良好,可以在其表面充分润湿和铺展.对 AgCu-Ti/3D-SiO2-fiber 体系润湿界面进行观察,从而揭示 AgCu-Ti/3D-SiO2-fiber 体系的润湿机理.图 3 为钎焊温度为 970 条件下,不同Ti 元素含量润湿界面微观组织形貌,从图 3a 可以看出,AgCu-4.5Ti 活性钎料浸入 3D-SiO2-fiber 复合材料的深度仅有 150 m,钎料没有充分铺展;相应的 AgCu-6.0Ti/3D-SiO2
13、-fiber 体系中,AgCu-6.0Ti 活性钎料浸入 3D-SiO2-fiber 复合材料深度约达 500 m,且钎料在复合材料表面充分铺展.根据以上润湿试验结果可以推测得出,由于AgCu-6.0Ti 活性钎料的流动性要明显优于 AgCu-4.5Ti 活性钎料的流动性,因此 AgCu-6.0Ti 活性钎料浸入 3D-SiO2-fiber 复合材料的深度明显大于AgCu-4.5Ti 活性钎料浸入 3D-SiO2-fiber 复合材料的深度,活性钎料在复合材料表面润湿性得到极大改善17,有助于 3D-SiO2-fiber 在焊缝中均匀分布.2.33D-SiO2-fiber 中间层对 SiC-N
14、b 钎焊接头微观组织的影响图 4 为 3D-SiO2-fiber 中间层辅助钎焊 SiC 陶瓷和金属铌的装配示意图.如图 4a 所示,从上至下依次为 SiC 陶瓷、AgCu-4.5Ti 活性钎料和金属铌,将此装配情况下获得的钎焊接头记为 SiC-Nb;如图 4b 所示,将 3D-SiO2-fiber 中间层置于两层 AgCu-4.5Ti 活性钎料箔片之间,并将此装配情况下获得的钎焊接头记为 4.5Ti/3D-SiO2-fiber;如图 4c 所示,活性钎料为 AgCu-6.0Ti 箔片,将此装配条件下获得的钎焊接头记为 6.0Ti/3D-SiO2-fiber.值得注意的是,文中所采用的 AgC
15、u-Ti 活性钎料为 AgCu箔片+钛箔片,因为 Ti 元素含量相同的 AgCu 箔片+钛箔片的熔点低于粉末钎料18-19.SiCNb(a)SiC-Nb(b)4.5Ti/3D-SiO2-fiber(c)6.0Ti/3D-SiO2-fiberSiCNbSiCNbAgCu-4.5Ti3D-SiO2-fiberAgCu-6.0Ti 图43D-SiO2-fiber 中间层辅助钎焊 SiC 陶瓷和金属铌的装配示意图Fig.4Schematicdiagramof3D-SiO2-fiberinterlayerassistinginbrazingSiCandNb.(a)SiC-Nb;(b)4.5Ti/3D-S
16、iO2-fiber;(c)6.0Ti/3D-SiO2-fiber 按照图 4 所示的 3 种装配示意图对焊件进行装配,在焊接温度 970,保温时间 20 min 的条件下进行焊接,所获得的钎焊接头微观组织如图 5 所示.从图 5a 中可以看出,在靠近 SiC 陶瓷母材侧有连续的裂纹产生,这可能是因为 SiC 陶瓷的热膨胀系数与活性钎料或金属铌的热膨胀系数的不匹配度较大,导致接头中产生较大残余应力,从而形成裂纹.引入 3D-SiO2-fiber 中间层后,接头中裂纹没有消失,且有大量孔洞形成,接头强度没有显著提高,如图 5b 所示.由润湿试验结果可知,AgCu-AgCu-4.5Ti3D-SiO2
17、-fiberAgCu-6.0Ti3D-SiO2-fiber500 m200 m1 cm浸入深度(150 m)浸入深度(150 m)(a)AgCu-4.5Ti/3D-SiO2-fiber(b)AgCu-6.0Ti/3D-SiO2-fiber 图3AgCu-Ti/3D-SiO2-fiber 体系润湿界面的微观组织Fig.3Microstructure of AgCu-Ti/3D-SiO2-fiber system.(a)AgCu-4.5Ti/3D-SiO2-fiber;(b)AgCu-6.0Ti/3D-SiO2-fiber第8期马蔷,等:3D-SiO2-fiber 中间层对 SiC 与 Nb 真空
18、钎焊的影响234.5Ti 活性钎料无法充分浸入 3D-SiO2-fiber 中间层,从而 4.5Ti/3D-SiO2-fiber 接头中出现大量未填满区域,形成的孔洞降低了接头强度.如图 5c 所示,6.0Ti/3D-SiO2-fiber 接头成形完好,无裂纹、气孔等缺陷,且有大量颗粒相在焊缝中呈弥散分布.结合接头微观组织的 EDS 分析可知,大量弥散分布的颗粒相为 Cu3Si,TiSi,Ti2Cu 以及-Ti(表 1).焊缝中大量弥散分布的颗粒相有助于接头中形成良好的热膨胀系数梯度过渡,显著降低接头中残余应力,从而使接头强度提高到 45 MPa.裂纹CABEDKGHF孔裂纹200 m(a)S
19、iC-Nb(b)4.5Ti/3D-SiO2-fiber(c)6.0Ti/3D-SiO2-fiber200 m50 m200 m200 m 图53D-SiO2-fiber 中间层辅助钎焊 SiC 陶瓷和金属铌接头微观形貌Fig.5Microstructureof3D-SiO2-fiberinterlayerassistinginbrazingSiCandNb.(a)SiC-Nb;(b)4.5Ti/3D-SiO2-fiber;(c)6.0Ti/3D-SiO2-fiber 表1图 5 中各点化学成分(原子分数,%)Table1ChemicalcompositionofeverypointinFig.
20、5 位置元素相OSiAgTiCuA83.4616.54Ag(s.s)B13.3286.68Cu(s,s)C52.7347.27Ag-Cu+Ag(s,s)D8.7719.114.3467.78Cu3SiE81.5618.44Ag(s,s)F14.4885.52Cu(s,s)+Ag(s,s)G83.9816.02Ag(s,s)H9.3528.437.6413.8640.72Cu3Si+TiSiK2.6768.8728.46-Ti+Ti2Cu 从接头的典型微观组织分析可知,引入 3D-SiO2-fiber 中间层并采用 AgCu-6.0Ti 活性钎料钎焊所获得的接头成形良好,且有大量弥散分布的Cu3
21、Si,TiSi,Ti2Cu 以及-Ti 颗粒相形成,而大量弥散分布的颗粒相有助于接头中形成良好的热膨胀系数梯度过渡,缓解残余应力,提高接头强度.2.4钎焊温度的影响为使 AgCu-6.0Ti 钎料与 3D-SiO2-fiber 中间层充分反应,前期对 AgCu-6.0Ti 钎料进行探索,当钎焊温度为 950 时,AgCu-6.0Ti 活性钎料开始熔化.文中系统研究保温时间为 20 min 时,钎焊温度(950 980)对 6.0Ti/3D-SiO2-fiber 钎焊接头微观组织及力学性能的影响.图 6 为不同钎焊温度下 6.0Ti/3D-SiO2-fiber 钎焊接头微观组织形貌,对比分析图
22、6a 6c 可以看出,随着钎焊温度从 950 升高至 970,3D-SiO2-fiber 与活性钎料的冶金反应逐渐充分,3D-SiO2-fiber 逐渐被消耗,形成颗粒相且呈弥散分布.对比图 6c 6d 可以看出当温度达到 970 后,即使钎焊温度继续升高,界面微观组织不再发生明显变化.图 7 为不同钎焊温度下获得的钎焊接头抗剪强度.经过对剪切试验结果的分析可知,随着钎焊24焊 接 学 报第44卷温度从 950 升高至 970,接头的抗剪强度从5 MPa 提高到 45 MPa,当钎焊温度从 970 继续升高,接头强度开始下降.图 8 为焊接温度 970,保温时间 20 min 条件下,6.0T
23、i/3D-SiO2-fiber 钎焊接头的 XRD 图谱,从图中可看出,随钎焊温度升高,活性元素 Ti 不断与 3D-SiO2-fiber 发生反应,形成大量 Cu3Si,TiSi,-Ti 及 Ti2Cu 颗粒相,且所形成的颗粒相逐渐弥散分布,有助于接头中形成良好的热膨胀系数梯度过渡,缓解残余应力,提高接头强度20.然而随着钎焊温度进一步升高,虽然接头微观组织没有发生明显改变,但 SiC 陶瓷长时间处于高温环境其性能会受到损伤,从而使接头强度降低21.0950960钎焊温度 T/9709801020抗剪强度 R/MPa304050 图7不同钎焊温度钎焊接头的抗剪强度Fig.7Shear str
24、ength of the joints at different brazingtemperature 2005001 0001 5002 0004060Cu3SiTi2Cu-TiTiSi衍射角 2/()衍射强度 I(cps)80100 图86.0Ti/3D-SiO2-fiber 钎焊接头的 XRD 图谱Fig.8XRDpatternof6.0Ti/3D-SiO2-fiberbrazedjoint 2.5保温时间的影响图 9 是钎焊温度为 970 条件下,不同保温时间(10 25 min)对应的 6.0Ti/3D-SiO2-fiber 钎焊接头微观组织形貌.随保温时间从 10 min 延长到
25、20min,3D-SiO2-fiber 与活性钎料的冶金反应逐渐充分,并形成大量 Cu3Si,TiSi,-Ti 及 Ti2Cu 颗粒相,所形成的颗粒相逐渐成为弥散状分布.当保温时间从 20 min 继续增加,接头微观组织没有发生明显变化.结合图 10 所示的不同保温时间所获得接头的抗剪强度分析可知,随保温时间从 10 min 延长至 SiO2 纤维500 m(a)950(b)960(c)970(d)980 500 m500 m500 m 图6不同钎焊温度 6.0Ti/3D-SiO2-fiber 接头微观组织Fig.6Microstructureof6.0Ti/3D-SiO2-fiberbraz
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- SiO_ 282 29 fiber 中间层 SiC Nb 真空 钎焊 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。