納米Si3N4增強(qiáng)AgCuTi復(fù)合釬料釬焊Si3N4陶瓷與TiAl合金工藝及機(jī)理研究

本項(xiàng)目主要針對(duì)緩解Si3N4/TiAl釬焊接頭殘余應(yīng)力以及提高接頭高溫性能的需求，采用機(jī)械球磨的方法制備了納米Si3N4增強(qiáng)的AgCuTi復(fù)合釬料(AgCuTic)，并采用該復(fù)合釬料成功實(shí)現(xiàn)了TiAl合金和Si3N4陶瓷的連接。Si3N4/AgCuTiC/TiAl釬焊接頭典型界面結(jié)構(gòu)為：TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9 TiN Ti5Si3 Ag(s,s)/TiN Ti5Si3/Si3N4。釬焊過(guò)程中，液相釬料中的Ti元素與納米Si3N4反應(yīng)形成了納米尺寸的TiN和Ti5Si3顆粒，這些顆粒作為微米尺度Al4Cu9化合物的形核質(zhì)點(diǎn)，使得釬縫中形成了微納米顆粒增強(qiáng)的Ag基復(fù)合材料組織。復(fù)合釬料中增強(qiáng)相含量、釬焊溫度、釬焊時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響較大，當(dāng)增強(qiáng)相含量為3 wt.%，釬焊溫度為880°C，釬焊時(shí)間為5min時(shí)，接頭室溫及高溫(400°C)抗剪強(qiáng)度最大分別為115MPa和156MPa，比采用AgCuTi釬料獲得的接頭強(qiáng)度提高一倍。本項(xiàng)目還研究了復(fù)合釬料使用對(duì)接頭性能改善的原因，一方面復(fù)合釬縫中彌散分布的細(xì)顆粒TiN及Ti5Si3化合物作為第二相通過(guò)剪切滯后、位錯(cuò)強(qiáng)化及Orowan強(qiáng)化等方式強(qiáng)化了Ag基體，提高了釬縫性能；另一方面通過(guò)降低釬縫的熱膨脹系數(shù)在一定程度上緩解了接頭殘余應(yīng)力，從而提高了接頭室溫及高溫性能。接頭殘余應(yīng)力有限元模擬結(jié)果表明：復(fù)合材料的使用對(duì)接頭的應(yīng)力分布形式影響不大，但減小了殘余應(yīng)力分布區(qū)域以及應(yīng)力峰值。X射線(xiàn)應(yīng)力分析表明：增強(qiáng)相含量為3 wt.%時(shí)，Si3N4陶瓷表面壓應(yīng)力峰值降低70MPa左右，與模擬結(jié)果相吻合。除此之外，在本項(xiàng)目中納米增強(qiáng)復(fù)合釬料也被應(yīng)用于其它陶瓷與金屬釬焊體系均有優(yōu)良表現(xiàn)，可顯著優(yōu)化釬焊接頭的界面組織并提高釬焊接頭的力學(xué)性能。目前針對(duì)本項(xiàng)目已取得的一系列研究成果，共發(fā)表SCI期刊論文22篇，申請(qǐng)專(zhuān)利11項(xiàng)，兩項(xiàng)授權(quán)。 2100433B

針對(duì)Si3N4/TiAl釬焊接頭殘余應(yīng)力緩解及力學(xué)性能的改善需求，提出了納米Si3N4增強(qiáng)AgCuTi復(fù)合釬料釬焊的方法，通過(guò)釬料成分的控制，使釬縫中形成細(xì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料組織，降低釬縫的熱膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)Si3N4/釬縫/TiAl三者間熱膨脹系數(shù)的梯度過(guò)渡，達(dá)到控制界面結(jié)構(gòu)、緩解接頭應(yīng)力并提高接頭強(qiáng)度的目的。本項(xiàng)目以研究復(fù)合釬料釬焊特性、接頭界面結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和連接機(jī)理為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究納米增強(qiáng)相的反應(yīng)及彌散機(jī)理，闡明接頭界面組織演化規(guī)律，揭示界面反應(yīng)相形成機(jī)制，建立反應(yīng)相生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程，確定復(fù)合釬料對(duì)界面反應(yīng)及反應(yīng)相生長(zhǎng)行為的影響機(jī)理。采用有限元及X射線(xiàn)衍射分別對(duì)接頭應(yīng)力進(jìn)行模擬和測(cè)量，解明復(fù)合釬料對(duì)接頭殘余應(yīng)力及力學(xué)性能的影響規(guī)律。本項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于Si3N4與TiAl釬焊的新釬料，為陶瓷與金屬的釬焊提供新思路，同時(shí)推廣納米技術(shù)在連接領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)陶瓷與金屬材料連接技術(shù)的發(fā)展。

前言

第1章緒論

第2章Si₃N₄/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具制備

第3章Si₃N₄/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具材料抗熱震性能和R曲線(xiàn)

第4章Si₃N₄/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具材料高溫氧化性能

第5章Si₃N₄/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具切削性能

第6章 Si₃N₄/SiC/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

第7章Si₃N₄/SiC/TiC微納米復(fù)合陶瓷刀具切削性能及磨損機(jī)理

參考文獻(xiàn) 2100433B

本書(shū)是作者結(jié)合多年來(lái)從事Si3N4基微納米復(fù)合陶瓷刀具技術(shù)研究成果撰寫(xiě)而成的。在全面分析國(guó)內(nèi)外陶瓷刀具技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，論述了Si3N4基陶瓷刀具材料的設(shè)計(jì)方法。書(shū)中著重介紹了Si3N4/Ti C微納米復(fù)合陶瓷刀具的制備方法、物理力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、高溫氧化性能、抗熱震性能、加工球磨鑄鐵和淬硬T10A材料時(shí)刀具的切削性能及其磨損機(jī)理；Si3N4/Si C/Ti C微 納 米復(fù) 合刀 具 制備 、力 學(xué) 性能 、微 觀 結(jié)構(gòu) 、加 工 淬 硬40Cr Mo Ni A及淬硬T10A材料時(shí)刀具的切削性能及磨損機(jī)理。

釬焊法釬料的分類(lèi)

1.按照釬料的熔化溫度范圍分

（1）熔點(diǎn)低于450℃的釬料稱(chēng)為軟釬料如鎵基、鉍基、銦基、錫基、鉛基、鋅基等合金。

（2）熔點(diǎn)高于450℃的釬料稱(chēng)為硬釬料（俗稱(chēng)難熔釬料）如鋁基、鎂基、銅基、銀基、錳基、金基、鎳基、鈀基、欽基等合金。

2.按照釬料的主要合金元素分

釬料按其主要合金元素可分為錫基、鉛基、鋁基等釬料。

3.按照釬料的制成形狀分

釬料按其制成形狀可分為絲、棒、片、箔、粉狀或特殊形狀釬料（例如環(huán)形釬料或膏狀釬料等）。

釬焊法釬料的選用

⑴釬料應(yīng)具有合適的熔化溫度范圍，至少應(yīng)比母材的熔化溫度低幾十度。

⑵在釬焊溫度下，應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性，以保證充分填滿(mǎn)釬縫間隙。

⑶釬料與母材應(yīng)有擴(kuò)散作用，以使其形成牢固的結(jié)合。

⑷釬料應(yīng)具有穩(wěn)定和均勻的成分，盡量減少釬焊過(guò)程中合金元素的損失。

⑸所獲得的釬焊接頭應(yīng)符合產(chǎn)品的技術(shù)要求，滿(mǎn)足力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、使用性能方面的要求。

⑹釬料的經(jīng)濟(jì)性要好。應(yīng)盡量少含或不含稀有金屬和貴重金屬。還應(yīng)保證釬焊的生產(chǎn)率要高。

⑺釬料應(yīng)具有加工變形能力，以便于制成各種形狀。