英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Ag-Cu-Ti钎料钎焊Al2O3陶瓷和TiAl合金接头的微观结构和力学性能
摘要
Al2O3陶瓷采用Ag-Cu-Ti钎料，能够与TiAl合金形成可靠连接。本课题研究了钎焊温度，持续时间，Ti在Al2O3/TiAl接头含量的影响。在880℃下钎焊10分钟，接头界面典型产物为Al2O3/Ti3(Cu,Al)3O/Ag(s,s) AlCu2Ti Ti(Cu,Al) Cu(s,s)/AlCu2Ti AlCuTi/TiAl合金。随着钎焊温度和时间的增长，Ti3(Cu,Al)3O反应层厚度增加，块状AlCu2Ti混合物聚集并逐渐长大。当使用Ag-Cu共晶合金时，从TiAl基片溶解出来的Ti能与Al2O3充分反应生成Ti3(Cu,Al)3O薄层，但是TiAl合金溶解度随着Ti在钎料中的含量的增大而减小。TiAl合金中溶解出来的Ti和Al对于Al2O3/TiAl接头微观结构演变有很大的影响，其机制有待探讨。当用商业Ag-Cu-Ti钎料进行钎焊时，最大抗剪强度达到94Mpa，然而用Ag-Cu 2wt%TiH2在880℃下钎焊十分钟后，最大抗剪强度可达到102Mpa。裂纹扩展主要发生在Al2O3基片，小部分发生在反应层。
1.引言
由于其优良的力学性能，耐腐蚀性和热稳定性，化学稳定性，Al2O3陶瓷在电子，太空，核能，汽车行业受到广泛关注。然而，其固有的脆性限制了应用。Al2O3与金属形成可靠连接的方式，对扩展其应用帮助巨大，尤其是太空和核能领域。举个例子，对于核反应堆设计，解决Al2O3与金属连接问题十分紧迫。由于其高比强度和良好的抗氧化性，TiAl合金已经成功证明其在工程应用方面巨大潜力。因此，Al2O3和TiAl可靠连接技术的发展对制造核反应堆至关重要。
至今为止,陶瓷和金属连接技术有瞬间液相连接，扩散连接和活性金属钎焊技术。在这些方法中，活性钎焊技术由于其便利性，相对低的连接温度，突出的连接性能，是最普遍的连接陶瓷和金属的方法。掺入少部分Ti的近共晶Ag-Cu合金被广泛作为一种Al2O3和金属钎焊的活性金属钎料。有报道称这种钎料能成功钎焊TiC4/Al2O3，Cu/Al2O3，Inconel 600/Al2O3，steel/Al2O3和Al2O3合金自身。这个结果表明，接头的形成主要取决于Al2O3与活性Ti之间的反应。在Al2O3表面找到一系列的反应产物包括Ti氧化物(Ti2O,TiO,Ti4O7或Ti5O9)和Ti-Cu-O化合物。此外，本文通过改变钎焊参数的方法，来研究微观结构与力学性能之间的关系。不幸的是，至今为止Al2O3和TiAl钎焊的方法鲜有报道，尤其是Ti和Al对微观组织演变和力学性能的影响，很少被拿来分析。
在本篇文章，会系统研究用于TiAl和Al2O3钎焊的AlCu2Ti钎料。通过研究钎焊温度，持续时间，Ti在钎焊接头中含量的影响，来获得最佳钎焊参数。此外，还将讨论钎焊接头界面微观组织形成和演化机理。
2.材料和方法
此次研究，将使用商业多晶Al2O3陶瓷（纯度gt;99%）与公称成分为Ti-43Al-9V-0.3Y(at%)的TiAl合金。用于钎焊实验的Al2O3和TiAl式样的尺寸分别为6.0mm*6.0mm*4.0mm和25mm*7.0mm*2.0mm。用于连接的TiAl样品表面一直打磨至1500号SiC砂纸，再用丙酮超声水洗10分钟。
用于TiAl合金和Al2O3陶瓷钎焊的有两种钎料，分别为商业Ag-27.5Cu-2.5Ti(wt%)钎料和掺杂不同比例的TiH2的Ag-28Cu粉末。研磨好的Ag-28Cu TiH2复合钎料用于研究Ti含量对钎焊接头微观结构和力学性能的影响。通过在氩气气氛下机械研磨，制成Ti含量在0~8wt%的复合钎料，球粉重量比为15:1，旋转速度为220rpm，研磨时间为60分钟。图1显示商业化Ag-Cu-Ti金属和研磨后的复合钎料形态一样。从图1(b)可看出，TiH2粉末均匀地分散在复合钎料里。然后，复合钎料与少量硝化纤维和乙酸辛酯混合，形成糊状钎料。糊状钎料涂在Al2O3陶瓷上，约100~150um的厚度。将装配好的试样置于840~940℃，3*104Pa真空火炉中30分钟。期间，以15℃/min的速率加热到450℃，停留规定时间。最终，取出试样，以5℃/min的速率冷却到300℃，再炉冷。
抛光后的横截面的界面微观结构通过装备这EDS的SEM(S-3400N)观察。每个钎焊接头中的反应层形成的相通过XRD(D8AL2O3VANCE)观察，每个反应层位置由分层剥离获得。剪力测试由一台万能试验机执行，用于评估接头连接强度，位移速度为0.5mm/min。每三个被测试的试样在相同钎焊工艺下制成。在剪力测试后，接头裂纹形态由一台立体显微镜(Keyence,VHX-2000C)分析。
图1.钎焊粉末的形态(a) Ag–27.5Cu–2.5Ti, (b) 研磨后Ag–28Cu TiH2
3.结果与讨论
3.1.钎焊接头的典型界面微观结构
图2显示用商业Ag-27.5Cu-2.5Ti(wt%)钎料在880℃钎焊10分钟形成的Al2O3/TiAl接头的典型界面微观结构。从图2(a)可看出，在钎焊中形成了良好接头，在接头中能看到3个典型区域。(Ⅰ)一个与Al2O3相邻的连续反应层。(Ⅱ)一个处于有灰色块状相分布的接头的中心区域的固溶体(Ⅲ)一个处于焊缝与TiAl基片之间的反应区域。每个特征区域的放大图在图2(b)~(d)分别给出。钎焊接头产生的每个相的化学成分有EDS测量，列在表1。各种新产物通过母材和液态Ag-Cu-Ti金属钎料之间的化学反应生成。
图2.用商业Ag–Cu–Ti填充金属钎焊的Al2O3/TiAl接头的微观结构: (a) 整个接头, (b) Al2O3基片旁反应层的放大图,(c)焊缝放大图和 (d) TiAl合金旁反应区的放大图。
表1.图2中每个相的平均化学成分表(at%)
图2(b)显示放大的反应层Ⅰ（在SEM观察），其相邻于Al2O3基片，有1.2um厚度，无特征，紧凑。EDS分析表明Ti，Cu，Al，O在层Ⅰ的存在，且其成分与carim首先标定的Ti3(Cu,Al)3O化合物很像。通过XRD对反应产物进行进一步观察，见图3(a)。这个结果清楚地表明Ti3(Cu,Al)3O相存在于Al2O3陶瓷片与银基固溶体之间。沿Al2O3与金属钎料界面形成的连续Ti3(Cu,Al)3O反应层表明，在钎焊过程中发生固液充分相互作用。Santella证实，紧邻Al2O3的界面内部有一层处于Ti3(Cu,Al)3O与Al2O3之间的TiO相薄层。然而TiO结构在低于1250℃的平衡条件下是不稳定的。而且，在反应区复杂的化学和力学环境下，其稳定性可能受到影响。与TiO相比，Ti3(Cu,Al)3O很稳定，而且，这个相的生成吉布斯自由能在钎焊温度处于840℃~940℃时为负数（在900℃大约-502.5kj/mol）。这个结果表明，相邻于Al2O3陶瓷的Ti3(Cu,Al)3O反应层的形成，在热力学理论上是可能的。因此，处于现阶段钎焊工艺，TiO反应层在界面内部无法被观察到，但是形成的1,2um厚度的Ti3(Cu,Al)3O可以。这层冶金层的形成对接头连接性能影响巨大。因为Ti3Cu3O热膨胀系数处于Al2O3和Ag之间。Ti3(Cu,Al)3O反应层的形成可能提供在物理性能上的一个逐渐过渡，并且帮助减小由于热膨胀系数不匹配产生的影响。
图2(c)为放大的焊缝的微观结构，白色的物质为Ag(s,s)，在它上面分散着一些灰色块状化合物，定义其为相C。化学成分分析证明这个相主要由Al，Cu和Ti组成。在接头中心有大量的Al存在，证明在钎焊阶段，TiAl合金有力地溶解。因为反应相主要由Al，Cu和Ti组成，Al-Cu-Ti三元合金相图就用来解释相的形成，从Al-Cu-Ti相图的液相线看出，能够形成很多Al-Cu-Ti三元化合物。根据化学成分分析，相C的化学计量学与AlCu2Ti相近。在银基中AlCu2Ti相的形成，同样被XRD的结果证明。根据图3，同样地，Tetsui认为，由于TiAl与液体钎料中的Cu或Ni反应，一种AlM2Ti型硬质B2金属间化合物能够在接头形成，这与实验观察一致。AlCu2Ti的形成导致液态钎料中Cu的消耗。因此，能够看到白色富银相贯穿整个焊缝。此外，一些由Ti，Cu及少部分Al构成的细小颗粒（标记为E）在AlCu2Ti化合物周围形成。然而，由于EDS横向分辨率的限制，这些颗粒的化学组成很难被精确量化。此外，其含量很低，细颗粒相的XRD衍射峰很难被发现。
图3.分层剥离后Al2O3/TiAl接头的XRD结果: (a) 区域Ⅰ, (b) 区域Ⅱ-Ⅲ
图4. Al–Cu–Ti相图的液相线投影.
在整个接头的AlCu2Ti化合物形态和分布多种多样。与块状化合物相比，连续AlCu2Ti层形成在TiAl基片旁，如图2。从金属填充物与AlCu2Ti相之间的不规则接合面可推测AlCu2Ti相从液相凝固。同时，能在AlCu2Ti反应层与TiAl基片之间观察到相F。相F的化学计量率与AlCuTi很接近，而且还包含小部分Ag和V。依据图4的Al-Cu-Ti三元合金相图，TiAl和AlCu2Ti相没有共享一条边界线，然而AlCu2Ti和AlCuTi共享一条边界线。因此，有理由在TiAl基片边缘观察到AlCuTi相。如图3(b)所示，区域Ⅲ的XRD分析进一步确定了高AlCuTi(Ti(Cu,Al)2)衍射峰的存在。AlCuTi化合物不连续，而且在B2基形成。这也是AlCuTi包含少量从B2相扩散的V的原因。
总而言之，由于Al,Cu,Ti之间活跃的化学反应，TiAl基片在钎焊过程中部分溶解到液态Ag-Cu-Ti填充金属。因此，在接头中有两种金属件化合物AlCu2Ti和AlCuTi形成。熔池中Cu的消耗，导致Ag(s,s)的形成，然而，从原填充金属和TiAl合金溶解得到的活跃元素Ti有强烈的热力学驱动力，与Al2O3合金反应生成Ti3(Cu,Al)3O反应层。接头典型界面微观结构从Al2O3到TiAl一端分别是Al2O3/Ti3(Cu,Al)3O/Ag(s,s) AlCu2Ti Ti(Cu,Al) Cu(
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[151204]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
