《基於競爭反應調控的SiO2-BN複合陶瓷與金屬釺焊機理研究》是依託天津大學，由楊振文擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於競爭反應調控的SiO2-BN複合陶瓷與金屬釺焊機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊振文
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目基於複合陶瓷競爭反應調控和釺焊界面結構最佳化，提出一種採用“活性釺料層/軟性阻隔層/非活性釺料層”構成的複合中間層釺焊SiO2-BN複合陶瓷與金屬的新方法。通過設計“活性金屬分離的潤濕鋪展”和“表面活化—電子束蒸鍍輔助釺焊”兩種界面反應模式，研究反應體系的潤濕機理，在原子尺度上解明複合陶瓷兩組元的競爭反應機制，建立界面反應層生長的動力學控制方程。通過構建“金屬溶解擴散模型”和“反應體系活度係數計算的熱力學模型”，揭示金屬溶解過程的主控因素及其控制方法。採用這一新方法不僅能實現對複合陶瓷界面競爭反應生長的控制，而且可以抑制金屬基體的溶解和脆性化合物的形成，得到塑性變形能力優異的固溶體組織，為複合陶瓷與金屬的低應力、高性能釺焊連線提供一種新思路。
結題摘要
SiO2-BN陶瓷作為新一代飛彈天線罩材料，在裝配過程中陶瓷天線罩需要與金屬環進行可靠連線。本項目採用活性釺焊方法實現SiO2-BN陶瓷與金屬的可靠連線，基於液態釺料與陶瓷相互作用過程中的界面特徵，通過中間層體系最佳化設計實現對釺焊接頭界面組織的控制以及力學性能的提高。 首先，本項目設計了兩種界面反應模式，研究了活性釺料與SiO2-BN陶瓷的界面反應。通過研究液態Ag-Cu/Ti釺料在SiO2-BN陶瓷表面的潤濕鋪展行為，揭示了活性元素Ti在反應潤濕體系中的作用，並首次通過活性元素分離-高溫截流試驗闡述了反應驅動潤濕的機制。在此基礎上，採用Ag-Cu/Ti活性釺料分析了Invar/SiO2-BN體系的釺焊性，闡明了Ti含量、工藝參數對接頭界面組織和性能的影響。兩種母材固有的熱膨脹係數差異產生的殘餘應力以及釺焊接頭中脆性化合物的形成都弱化接頭性能。 為了緩解接頭的殘餘應力，設計h-BN顆粒增強的Ag-Cu-Ti + BN複合釺料體系。添加的h-BN顆粒與活性元素Ti反應形成TiB晶須和TiN顆粒聯合增強的接頭；同時Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制，接頭的平均抗剪強度達到39MPa。基於Invar合金向液態釺料中的溶解機制，設計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti軟性複合中間層，實現Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制並緩解接頭的殘餘應力。當Cu中間層的厚度為100μm時，接頭的抗剪強度最大為43MPa。結合顆粒增強複合釺料和軟性複合中間層的優點，設計Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti + BN軟性-梯度中間層，實現脆性化合物的完全抑制，同時對陶瓷側熱膨脹係數的調節。採用有限元計算評價三種中間層體系釺焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接頭的殘餘應力大小和分布，結果表明軟性複合中間層緩解釺焊接頭殘餘應力效果最好。 SiO2-BN陶瓷釺焊過程中只有h-BN參與了界面反應生成TiB2與TiN，未發現SiO2參與反應的跡象。基於競爭反應調控的思路，本項目首次提出了雙活性元素體系，採用Nb金屬作為母材，利用其向液態釺料中溶解並作為“第二”活性元素與SiO2相反應，增強了界面冶金連線強度，接頭抗剪強度提高至48MPa。
