納米Si3N4增強AgCuTi複合釺料釺焊Si3N4陶瓷與TiAl合金工藝及機理研究

《納米Si3N4增強AgCuTi複合釺料釺焊Si3N4陶瓷與TiAl合金工藝及機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由宋曉國擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米Si3N4增強AgCuTi複合釺料釺焊Si3N4陶瓷與TiAl合金工藝及機理研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋曉國

項目摘要

針對Si3N4/TiAl釺焊接頭殘餘應力緩解及力學性能的改善需求，提出了納米Si3N4增強AgCuTi複合釺料釺焊的方法，通過釺料成分的控制，使釺縫中形成細顆粒增強複合材料組織，降低釺縫的熱膨脹係數，實現Si3N4/釺縫/TiAl三者間熱膨脹係數的梯度過渡，達到控制界面結構、緩解接頭應力並提高接頭強度的目的。本項目以研究複合釺料釺焊特性、接頭界面結構、力學性能和連線機理為切入點，重點研究納米增強相的反應及彌散機理，闡明接頭界面組織演化規律，揭示界面反應相形成機制，建立反應相生長動力學方程，確定複合釺料對界面反應及反應相生長行為的影響機理。採用有限元及X射線衍射分別對接頭應力進行模擬和測量，解明複合釺料對接頭殘餘應力及力學性能的影響規律。本項目旨在開發套用於Si3N4與TiAl釺焊的新釺料，為陶瓷與金屬的釺焊提供新思路，同時推廣納米技術在連線領域的套用，促進陶瓷與金屬材料連線技術的發展。

結題摘要

本項目主要針對緩解Si3N4/TiAl釺焊接頭殘餘應力以及提高接頭高溫性能的需求，採用機械球磨的方法製備了納米Si3N4增強的AgCuTi複合釺料(AgCuTic)，並採用該複合釺料成功實現了TiAl合金和Si3N4陶瓷的連線。Si3N4/AgCuTiC/TiAl釺焊接頭典型界面結構為：TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9+TiN +Ti5Si3+Ag(s,s)/TiN+Ti5Si3/Si3N4。釺焊過程中，液相釺料中的Ti元素與納米Si3N4反應形成了納米尺寸的TiN和Ti5Si3顆粒，這些顆粒作為微米尺度Al4Cu9化合物的形核質點，使得釺縫中形成了微納米顆粒增強的Ag基複合材料組織。複合釺料中增強相含量、釺焊溫度、釺焊時間等工藝參數對接頭界面結構和力學性能影響較大，當增強相含量為3 wt.%，釺焊溫度為880°C，釺焊時間為5min時，接頭室溫及高溫(400°C)抗剪強度最大分別為115MPa和156MPa，比採用AgCuTi釺料獲得的接頭強度提高一倍。本項目還研究了複合釺料使用對接頭性能改善的原因，一方面複合釺縫中彌散分布的細顆粒TiN及Ti5Si3化合物作為第二相通過剪下滯後、位錯強化及Orowan強化等方式強化了Ag基體，提高了釺縫性能；另一方面通過降低釺縫的熱膨脹係數在一定程度上緩解了接頭殘餘應力，從而提高了接頭室溫及高溫性能。接頭殘餘應力有限元模擬結果表明：複合材料的使用對接頭的應力分布形式影響不大，但減小了殘餘應力分布區域以及應力峰值。X射線應力分析表明：增強相含量為3 wt.%時，Si3N4陶瓷表面壓應力峰值降低70MPa左右，與模擬結果相吻合。除此之外，在本項目中納米增強複合釺料也被套用於其它陶瓷與金屬釺焊體系均有優良表現，可顯著最佳化釺焊接頭的界面組織並提高釺焊接頭的力學性能。目前針對本項目已取得的一系列研究成果，共發表SCI期刊論文22篇，申請專利11項，兩項授權。