【摘 要】
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Al2O3陶瓷与Ti-13Zr-13Nb（TNZ）合金作为性能优良的生物材料已经广泛应用于可植入器件与介入器械等领域,二者的复合结构件在生物医疗领域具有广阔的应用前景。基于生物相容性的连接需求,采用Ti40Ni40Nb20（Ti Ni Nb）共晶钎料对Al2O3陶瓷及TNZ合金进行钎焊连接,然而由于两者热膨胀系数的差异,钎焊过程中容易产生较大的残余应力,通过添加Nb箔作为柔性中间层对Al2O3/T
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Al2O3陶瓷与Ti-13Zr-13Nb（TNZ）合金作为性能优良的生物材料已经广泛应用于可植入器件与介入器械等领域,二者的复合结构件在生物医疗领域具有广阔的应用前景。基于生物相容性的连接需求,采用Ti40Ni40Nb20（Ti Ni Nb）共晶钎料对Al2O3陶瓷及TNZ合金进行钎焊连接,然而由于两者热膨胀系数的差异,钎焊过程中容易产生较大的残余应力,通过添加Nb箔作为柔性中间层对Al2O3/TNZ异种材料钎焊接头连接工艺优化。研究钎焊温度和保温时间对钎焊接头界面组织和力学性能的影响,并对断裂位置和断裂路径进行分析,确定最优工艺参数,阐述钎焊接头界面反应与连接机理。通过研究Ti Ni Nb钎料在Al2O3陶瓷表面的润湿性,将钎焊温度选定于1160℃以上。在Al2O3/Al2O3钎焊结构中,Ti Ni Nb钎焊Al2O3陶瓷得到的典型界面组织结构为Al2O3/Al Ni2Ti+Ni6Nb7+Ni2Ti4O/Ti2Ni/Ni Ti-Nb（s,s）共晶组织+（Ti,Nb）2Ni+Ti2Ni。在钎焊过程中,钎料中的Ti、Ni元素和Al2O3反应生成Ni2Ti4O化合物,还原出的Al元素与Ti、Ni元素反应生成Al Ni2Ti,实现了钎焊接头的良好连接,提高了接头的强度。继续提高钎焊温度和保温时间,钎缝中形成过厚的反应层,与此同时温度提高造成接头残余应力增大,从而导致接头剪切强度降低。当钎焊温度为1200℃,保温时间为10min时,Al2O3/Ti Ni Nb/Al2O3钎焊接头的剪切强度最高,为93.2MPa。在Al2O3/TNZ钎焊结构中,采用Ti Ni Nb钎料直接钎焊的方式不能实现Al2O3陶瓷和TNZ合金的可靠连接,原因在于两侧母材热膨胀系数的差异导致钎焊接头在Al2O3陶瓷界面处生成大量的显微裂纹。采用20μm的Nb箔作为应力缓解层,Nb箔发生溶透现象,Al2O3陶瓷界面处的脆性化合物在接头应力的作用下产生了贯穿性的开裂。增加Nb箔的厚度至40μm时得到了连接良好的钎焊接头,Al2O3/TNZ钎焊接头的的典型界面组织结构为Al2O3/Al（Nb,Ti）Ni+Zr3O1-x+Ni2Ti4O/Ti2Ni+β（Nb,Zr）/Nb（s,s）+Ti（s,s）/Nb/Ti2Ni+Ti（s,s）/TNZ。在钎焊过程中,钎焊温度和保温时间对钎焊接头的界面组织结构有较大的影响,而钎焊接头的力学性能则主要取决于接头界面组织,包括反应相的组成及反应层的厚度。随着钎焊温度的升高或保温时间的延长,接头力学性能均呈先增后减的趋势。当钎焊温度为1160℃,保温10min时钎焊接头的剪切强度最高,为52.2MPa。断裂分析表明,接头在焊缝区的断裂主要发生在陶瓷侧界面反应层Ni2Ti4O层中。随着钎焊温度升高到1160℃或者保温时间延长到10min,Ni2Ti4O化合物层厚度变化不大,但Al2O3陶瓷的界面上生成新物相Al（Nb,Ti）Ni化合物以及Zr3O1-x细小颗粒,在Al2O3陶瓷与Nb之间主要为深灰色的Ti2Ni化合物,以及弥散分布于Ti2Ni基体上的β（Nb,Zr）,这些颗粒增强相的生成有利于接头抗剪强度的升高。然而,钎焊温度的继续升高会导致接头产生较大的残余应力,恶化接头的性能;保温时间的继续延长则导致陶瓷侧界面脆性反应层略有增厚同时颗粒相减少,同样有损于接头的抗剪强度。
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