Ti2AlC陶瓷与金属连接过程中陶瓷稳定性和钎焊机理研究

Ti2AlC陶瓷是一种兼具陶瓷与金属的性能的新型材料，在电极材料、自润滑材料和原子能反应堆覆层材料等应用领域具有广阔的应用前景。本研究分别采用Ag基(Ag,Ag-Cu)、Al基(Al,Al-Si)、Ni基钎料连接Ti2AlC陶瓷，以及Ti2AlC与金属Cu、Ni的连接，研究了钎料成分和钎焊工艺参数对接头微观组织、力学性能和导电性能的影响规律，获得了最佳钎焊工艺参数与最佳接头性能。利用钎焊，创造一种特殊的液态金属与Ti2AlC陶瓷的交互作用条件，采用第一性原理，计算了液态钎料与陶瓷母材的交互作用，以及钎料元素中的原子对Ti2AlC陶瓷母材中原子的取代现象，利用高分辨透射电子显微镜对原子取代现象进行了验证，揭示了Ti2AlC陶瓷的结构稳定性与液态钎料种类和含量的关系。结合第一性原理计算和TEM观察，首次从原子尺度阐明并验证了Si、Ag元素对Ti2AlC陶瓷中的原子取代作用。使用BNi-2钎料连接Ti2AlC陶瓷，获得了剪切强度达到母材强度90%的接头。阐明了不同液态金属与Ti2AlC陶瓷的交互作用机制，为这种陶瓷材料的设计、制备和使用条件下的稳定性评价提供了理论依据。

采用Ag、Al、Ag-Cu、Al-Si、Cu-Ti作为钎料，通过钎焊方法连接Ti2AlC陶瓷与金属（钛、铜、镍）。利用试验和理论计算的方法系统研究钎焊环境、钎料组元的构成及成分、被连接金属的种类、连接工艺参数对接头组织特征和Ti2AlC陶瓷结构稳定性的影响。分析陶瓷母材和接头中的微观组织演化与接头的力学性能、导电性能和抗氧化性能之间的关系。从理论上阐述Ti2AlC陶瓷中Al空缺的形成与Ag、Al、Cu、Si、Ti、Ni等不同金属元素之间的交互作用原理，探求既实现Ti2AlC陶瓷本身及其与金属的成功连接，又保持陶瓷母材的结构稳定性，并发挥其独特性能的途径，揭示钎焊连接机理。为指导Ti2AlC陶瓷与金属的连接工艺、钎料成分设计、接头微观组织优化、获得组织和性能稳定的Ti2AlC陶瓷与金属的接头奠定理论基础，并丰富Ti-Al-C陶瓷结构稳定性研究的基础理论。

SiO2-BN陶瓷作为新一代导弹天线罩材料，在装配过程中陶瓷天线罩需要与金属环进行可靠连接。本项目采用活性钎焊方法实现SiO2-BN陶瓷与金属的可靠连接，基于液态钎料与陶瓷相互作用过程中的界面特征，通过中间层体系优化设计实现对钎焊接头界面组织的控制以及力学性能的提高。 首先，本项目设计了两种界面反应模式，研究了活性钎料与SiO2-BN陶瓷的界面反应。通过研究液态Ag-Cu/Ti钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿铺展行为，揭示了活性元素Ti在反应润湿体系中的作用，并首次通过活性元素分离-高温截流试验阐述了反应驱动润湿的机制。在此基础上，采用Ag-Cu/Ti活性钎料分析了Invar/SiO2-BN体系的钎焊性，阐明了Ti含量、工艺参数对接头界面组织和性能的影响。两种母材固有的热膨胀系数差异产生的残余应力以及钎焊接头中脆性化合物的形成都弱化接头性能。 为了缓解接头的残余应力，设计h-BN颗粒增强的Ag-Cu-Ti BN复合钎料体系。添加的h-BN颗粒与活性元素Ti反应形成TiB晶须和TiN颗粒联合增强的接头；同时Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制，接头的平均抗剪强度达到39MPa。基于Invar合金向液态钎料中的溶解机制，设计Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti软性复合中间层，实现Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并缓解接头的残余应力。当Cu中间层的厚度为100μm时，接头的抗剪强度最大为43MPa。结合颗粒增强复合钎料和软性复合中间层的优点，设计Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti BN软性-梯度中间层，实现脆性化合物的完全抑制，同时对陶瓷侧热膨胀系数的调节。采用有限元计算评价三种中间层体系钎焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接头的残余应力大小和分布，结果表明软性复合中间层缓解钎焊接头残余应力效果最好。 SiO2-BN陶瓷钎焊过程中只有h-BN参与了界面反应生成TiB2与TiN，未发现SiO2参与反应的迹象。基于竞争反应调控的思路，本项目首次提出了双活性元素体系，采用Nb金属作为母材，利用其向液态钎料中溶解并作为“第二”活性元素与SiO2相反应，增强了界面冶金连接强度，接头抗剪强度提高至48MPa。

前言

第9章Al₂O₃陶瓷与Ti6Al4V钛合金的连接

第10章Al₂O₃陶瓷与5A05铝合金的钎焊

第11章Al₂O₃陶瓷与Kovar合金的钎焊

第12章SiO₂陶瓷与TC₄钛合金的钎焊

第13章SiO₂陶瓷与30Cr₃钢的钎焊

第14章ZrO₂陶瓷与金属的连接

本书针对陶瓷与金属连接时，陶瓷母材难被润湿、界面易形成多种脆性化合物、接头残余应力大等缺点，探讨了陶瓷与金属连接时遇到的共性基础问题，以常见结构陶瓷为例，介绍它们与金属的连接技术，以解决陶瓷与金属连接的实际应用问题。本书将重点介绍碳化硅、氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化钛等陶瓷与多种常见金属（钢、钛及钛合金、铝合金、Kovar合金、纯镍、铬及镍铬合金、难熔金属铌及钽）的连接工艺，同时阐述活性钎料及复合反应中间层设计原则、陶瓷母材焊前表面改性机制、界面反应机理、接头残余应力缓解机制等基础科学问题。