Ag-Cu-Zn钎料对TiC-Ni金属陶瓷的润湿行为及其机理

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TiC-Ni 金属陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、韧性,以及优异的抗蠕变性能和良好的电磁性能,是工业应用中非常有前景的一种材料。常规钎料连接TiC-Ni金属陶瓷时存在润湿性差或易生成脆性相等问题,而含有挥发元素 Zn的Ag-Cu-Zn钎料对TiC-Ni金属陶瓷具有良好的润湿性。本课题研究了Zn挥发促进 Ag-Cu-Zn 对 TiC-Ni 金属陶瓷润湿的机理。此外,建立了 Zn 挥发的动力学模型,计算了Zn挥发形成的蒸气反冲力,并评价了其对铺展的影响。  本文研究了Zn挥发对Ag-Cu-Zn/TiC-Ni金属陶瓷界面结构的影响。结果表明,以20℃/min加热至810℃并保温10min时,真空条件下Ag-Cu-25Zn/TiC-Ni金属陶瓷界面生成了连续的(Cu,Ni)固溶体层。随着 Zn 含量的增加,Ag-Cu-Zn钎料对TiC-Ni金属陶瓷中Ni基体的溶解增强,界面处形成的(Cu,Ni)固溶体数量增多。随着温度升高,Ag-Cu-25Zn/TiC-Ni 金属陶瓷界面处(Cu,Ni)固溶体不断向液体钎料中溶解,由层状逐渐转变为锯齿状。随着保温时间的延长,Ag-Cu-25Zn/TiC-Ni 金属陶瓷界面处(Cu,Ni)固溶体层不断增厚。随着加热速率的提高,Ag-Cu-25Zn/TiC-Ni 界面处形成的(Cu,Ni)固溶体的数量逐渐减少,逐渐由层状转变为断续分布。  通过设计不同的钎焊体系,探讨了钎料/金属陶瓷界面固溶体的形成及分布形态对 TiC-Ni 金属陶瓷与金属合金连接性能的影响。采用 Ag-Cu-25Zn 钎焊TiC-Ni金属陶瓷和Invar时,Zn挥发速率变慢,导致TiC-Ni金属陶瓷侧反应层中富Ag。随着温度升高,TiC-Ni金属陶瓷中形成的(Ag)固溶体明显增多,金属陶瓷侧的(Cu,Ni)固溶体由层状向断续状转变。TiC-Ni 金属陶瓷与钎料界面处(Cu,Ni)固溶体的形成改善金属陶瓷与钎料的粘附强度。910℃保温10min时,溶解区和界面反应层区由少量(Ag)、大量块状(Cu,Ni)及 TiC 颗粒组成,此时接头的抗剪强度达到最大值,为 161MPa。采用 Ag-Cu-Ni-Li 钎料钎焊 TiC-Ni 金属陶瓷与GH3128时,在两侧母材界面均形成了(Cu,Ni)层。TiC-Ni金属陶瓷侧(Cu,Ni)层以树枝状向钎料中长大,有利于实现TiC-Ni金属陶瓷与钎料之间的界面粘附。在880℃保温10min时,TiC-Ni金属陶瓷侧生成了平均厚度约为15μm的树枝状(Cu,Ni)层,此时接头抗剪强度达到最大值204MPa。  研究了 Zn 挥发对 Ag-Cu-Zn 钎料对 TiC-Ni 金属陶瓷润湿的影响。结果表明,由于蒸气反冲力的作用,钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面以钝角铺展。此外,Ag-Cu-Zn钎料中Zn的存在促进了Ni向钎料的溶解,而真空中Zn的挥发导致了金属陶瓷侧的(Cu,Ni)层析出,最终促使Ag-Cu-Zn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面由不润湿向润湿转变。加热温度、Zn 含量、加热速率、气氛等参数均与 Zn挥发有关,进而影响钎料对 TiC-Ni 金属陶瓷的润湿性。Zn 挥发完全后,继续升高温度,Ag-Cu-25Zn 钎料在 TiC-Ni 金属陶瓷表面的平衡润湿角不再发生变化。随着Zn含量增加,Ag-Cu-Zn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面平衡润湿角先减小后增大。Zn含量为25%时,Ag-Cu-Zn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面平衡润湿角最小,为19.9°。随着加热速率增大,Ag-Cu-25Zn钎料在TiC-Ni金属陶瓷表面平衡润湿角不断增大。在氩气环境中,Ag-Cu-25Zn 钎料在 TiC-Ni 金属陶瓷表面平衡润湿角明显增大。  建立了 Zn 挥发的动力学模型,并对其进行了修正,计算得到了Ag-Cu-25Zn对TiC-Ni金属陶瓷润湿时Zn挥发的动力学参数(挥发速率、蒸气速度和蒸气反冲力),并建立了液体铺展速度和蒸气反冲力之间的关系。结果表明随着时间延长,Ag-Cu-Zn 钎料中 Zn的挥发速率先增大,后减小。195s时,Zn 挥发速率最快,为 246.4g·m-2·s-1。随着时间延长,Zn 蒸气速度不断增大。当时间为410s时,Zn蒸气速度最大,为318.4m/s。随着时间延长,Zn挥发产生的蒸气反冲力呈现先增大,后减小的规律。195s时,蒸气反冲力达到最大值,为 76Pa。液滴铺展速度随着蒸气反冲力的增大而增大,随着固-液界面的铺展阻力的增大而减小。蒸气反冲力和三相线附近液体对固体的铺展阻力,使 Ag-Cu-Zn 钎料在 TiC-Ni 金属陶瓷表面铺展速率呈现先增大,后减小的趋势。
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