SiC陶瓷真空钎焊工艺及机理研究

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SiC陶瓷材料具有高比刚度、较低的热膨胀系数以及耐空间粒子辐射,尤其是抗热震性能极佳,是高性能反射镜的首选材料。本文采用TiZrNiCu活性钎料实现了SiC陶瓷的连接,确定了钎焊接头的界面组织结构,分析了工艺参数对钎焊接头组织的影响,阐明了界面连接机理;测试了钎焊接头力学性能,确定了钎焊接头断裂路径;计算了界面结构形成热力学,模拟了钎焊接头残余应力分布。确定了钎焊接头在钎焊温度为1250K,保温时间为10min时的界面结构为:SiC/TiC/Ti5Si3+Zr2Si/Zr(s,s)/Ti(s.s)+Ti2(Cu,Ni)/(Ti,Zr)(Ni,Cu) ;当钎焊温度升高到1350K,钎缝中心(Ti,Zr)(Ni,Cu)化合物消失,界面中出现TiSi2化合物。当钎焊时间超过30min时,大量TiC在钎缝内部出现。以抗剪强度来评价钎焊接头的力学性能,钎焊接头的剪切强度随着钎焊温度的升高和保温时间的延长都呈先增大后减小的趋势。当钎焊温度为1250K,保温时间为10min时,接头的剪切强度最高,达到110MPa。接头断裂均为脆性断裂,断裂主要发生在钎焊接头TiC反应层。采用三元合金组分活度系数模型,计算了钎焊接头合金体系中Ti元素的活度和各个界面反应发生的可能性。在钎焊条件下各种硅化物中Ti5Si3最稳定,不会出现Ti5Si4、TiSi和Ti3Si;当钎焊温度上升到1350K时,界面中可能生成TiSi2。分析了钎焊过程中的界面形成机理,将钎焊过程具体分为以下几个阶段:(a)钎料与母材的物理接触;(b)钎料的熔化以及陶瓷侧反应层开始形成;(c)钎料液相向母材继续扩散、陶瓷侧反应层厚度增加,钎缝中液相成分均匀化;(d)陶瓷侧反应层形成的终止以及过共晶组织的形成;(e)钎缝中心金属间化合物的凝固。运用倾斜钎缝方法,确定钎焊最佳钎缝间隙。当钎缝间隙在30-50μm之间时,钎焊接头剪切强度最高,达到115MPa。适当的钎缝间隙(30μm-50μm)将有助于液态钎料中Si元素及时扩散,与Ti元素和Zr元素形成形态和数量均较小的硅化物,使钎缝中心为均一的固溶体组织,得到较好力学性能的钎焊接头。采用MARC有限元分析软件模拟钎焊接头残余应力,在不同的钎料尺寸下,接头的残余应力分布情况大致相同,残余应力峰值均出现在陶瓷与钎料的界面处;当钎料尺寸为37×74 mm2时,钎焊接头残余应力峰值最小,与钎料尺寸为75×150 mm2相比下降了38%。
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