VFG/CuTi钎焊SiO2复合材料与Invar合金工艺及机理研究

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Si O2f/Si O2复合材料韧性好、抗热冲击性能优良,是天线罩的理想材料,Invar合金在室温范围内具有较低的热膨胀系数,成为了天线罩内金属环的首选,实现二者的钎焊连接有利于发挥二者特性。但钎焊时,Invar热膨胀系数随着温度升高急剧升高,两者热膨胀系数在钎焊温度下差别巨大,钎焊接头在降温过程中由于收缩程度不同将产生较大的残余应力,最终导致接头连接强度不高。石墨烯密度较低、尺寸很小,在基体表面垂直生长的石墨烯边缘具有较高的活性。本文旨在开发出一种掺杂少层石墨烯的新型复合钎料,利用石墨烯的化学活性及对钎料中活性元素的亲和力改善接头界面组织,抑制接头中过量脆性金属间化合物的形成,获得以Cu(s,s)为主的塑性较佳的钎缝组织,实现Si O2f/Si O2复合材料与Invar合金的可靠连接。在此基础上,为了进一步缓解接头残余应力,通过添加具有低膨胀系数的Nb颗粒及Nb中间层来改善接头的组织并提高接头的性能。通过PECVD方法在Cu粉表面垂直生长少层石墨烯,探究了石墨烯生长的最优工艺参数:加热温度700℃、保温1h、溅射功率200W、Ar与CH4的通入流量比为90:10,气体压强为900Pa。通过分析Raman光谱中特征峰、HRTEM和SAED结果表明,在最佳工艺下制备的石墨烯层数少于10层,分布均匀致密。对比垂直少层石墨烯(VFG)/Cu Ti和Cu Ti钎料在Si O2f/Si O2复合材料表面润湿试验,发现VFG/Cu Ti钎料顶端出现了Ti元素的富集。通过比较不同钛含量的VFG/Cu Ti复合钎料润湿情况,发现钛含量较低时,复合钎料难以在陶瓷表面铺展润湿,当Ti含量较高时,钎料自身的脆性增加,选定VFG/Cu23wt.%Ti作为最终钎料。利用VFG/Cu Ti复合钎料和Cu Ti钎料钎焊Si O2f/Si O2复合材料与Invar合金,对比发现采用Cu Ti钎料连接后钎缝组织具有较多的Cu-Ti化合物,而使用VFG/Cu Ti复合钎料连接后的钎缝中出现了大面积的Cu基固溶体区。纳米压痕结果显示铜基固溶体区相比于富含Cu-Ti金属间化合物的区域具有较高塑性变形能力,因此,采用VFG/Cu Ti复合钎料进行连接后,接头的抗剪强度由5MPa提高到15MPa。VFG/Cu Ti复合钎料钎焊接头典型界面组织为Si O2f/Si O2/Ti5Si3+Ti O2+Cu3Ti3O/Cu(s,s)+Cu Ti2+Cu4Ti+Ti2Cu3/Cu(s,s)/Ti2Ni/Fe2Ti/Invar。讨论了钎焊工艺参数对Si O2f-Si O2/Invar接头组织结构及力学性能影响规律。结果表明钎焊接头在930℃/10min工艺条件下可以获得最佳力学性能,平均压剪强度为15MPa。分别采用VFG/Cu Ti+Nbp复合钎料和VFG-Cu Ti/Nb/VFG-Cu Ti复合中间层对Si O2f-Si O2/Invar接头进行钎焊连接。研究了不同Nb含量的VFG/Cu Ti+Nbp复合钎料在Si O2f/Si O2复合材料表面润湿情况,发现提高Nb添加量可以提升钎料的润湿铺展能力,但Nb含量过高时钎料流动性变差,润湿铺展能力反而降低。采用VFG/Cu Ti+Nbp复合钎料连接Si O2f-Si O2/Invar接头时,钎焊接头连接强度随着Nb含量提高而先升高后降低,Nb含量达到15wt.%时,接头抗剪强度最高为19MPa,相比于Cu Ti连接的接头强度提高了27%。采用VFG-Cu Ti/Nb/VFG-Cu Ti复合中间层连接Si O2f-Si O2/Invar接头,接头强度随Nb中间层厚度增加而升高,Nb中间层厚度增加至150μm时,接头抗剪强度提高不明显,当Nb箔厚度为200μm时,接头强度最大为34MPa,相比于Cu Ti钎料连接时的抗剪强度提高了127%。对Ti-Cu及Ti-Nb的相互作用能进行热力学计算,结果表明Nb的添加有助于提高Ti的活性,通过有限元模型计算Cu Ti直接钎焊、VFG/Cu Ti+Nbp复合钎料连接和VFG-Cu Ti/Nb/VFG-Cu Ti复合中间层连接体系接头残余应力分布情况。发现复合钎料法可以小幅降低残余应力,陶瓷侧应力峰值由340MPa到330MPa,而复合中间层连接体系接头使高应力区缩小并由陶瓷内部向Nb中间层方向转移,最大应力由340MPa到240MPa,降低30%。
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