交變電場(chǎng)輔助Al2O3陶瓷-Ti擴(kuò)散連接工藝與優(yōu)化.pdf

1、Al2O3是常用陶瓷材料之一，具有硬度高、耐腐蝕、耐熱等眾多優(yōu)良性特性。采用擴(kuò)散連接制成的金屬/陶瓷復(fù)合構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定、耐蝕性好，但接頭殘余應(yīng)力較大、連接效率較低，連接工藝及機(jī)理尚需進(jìn)一步探究。本試驗(yàn)在常規(guī)Al2O3/Ti的擴(kuò)散連接工藝基礎(chǔ)上施加輔助交變電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行連接，希望改善連接工藝，提高接頭質(zhì)量。采用SEM、EDS、XRD、XPS、TEM等分析方法對(duì)接頭進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，測(cè)試分析剪切力學(xué)性能，綜合分析各因素對(duì)擴(kuò)散連接接頭質(zhì)量的影響規(guī)

2、律。
　　溫度、電場(chǎng)、時(shí)間、壓力等因素之間具有交互作用，均對(duì)Al2O3/Ti連接接頭的組織和性能存在一定影響。施加電場(chǎng)后，界面出現(xiàn)微弱電流，與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系變化，電流值隨電壓增加而逐漸增大；連接界面反應(yīng)層厚度、原子擴(kuò)散距離隨連接溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；壓力影響金屬塑性變形程度，適當(dāng)加壓有助于提高連接效果，但壓力過(guò)大陶瓷基體容易出現(xiàn)微裂紋，使連接強(qiáng)度降低；施加中間層能夠改善界面連接條件，有效的增加界面結(jié)合的程度、減緩殘余應(yīng)

3、力，提高連接強(qiáng)度。改變影響因素參數(shù)，接頭剪切強(qiáng)度發(fā)生變化，存在最佳工藝。
　　設(shè)計(jì)連接溫度、交變電場(chǎng)、保溫時(shí)間的三因素三水平正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)接頭力學(xué)性能的影響程度為：連接溫度>交變電場(chǎng)>保溫時(shí)間；得最佳工藝參數(shù)為：900℃/200V/3h/5MPa；經(jīng)此工藝連接，接頭室溫剪切強(qiáng)度為138.1MPa，且其高溫剪切強(qiáng)度優(yōu)于常溫剪切，200℃時(shí)最大達(dá)到為176.8MPa，400℃時(shí)為145.9MPa。Al2O3/Ti擴(kuò)散

4、連接接頭的剪切斷裂形式為脆性斷裂，主要發(fā)生在Ti3Al反應(yīng)層，當(dāng)反應(yīng)層較薄時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度較低，沿連接界面斷裂；當(dāng)反應(yīng)層結(jié)合強(qiáng)度較高時(shí)，裂紋路徑不斷偏轉(zhuǎn)，并向陶瓷內(nèi)延伸，斷口主要呈撕裂的層片狀，表面形貌為起伏的臺(tái)階，屬解理斷裂。Al2O3/Ti擴(kuò)散連接接頭界面的組織結(jié)構(gòu)分析表明：界面反應(yīng)生成相以Ti3Al與TiAl為主，反應(yīng)區(qū)分為Ti3Al、TiAl細(xì)晶區(qū)與Ti3Al區(qū)，O原子固溶在生成相中。對(duì)Al2O3/Ti擴(kuò)散連接進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

5、發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度升高而增大，交變電場(chǎng)輔助作用下的界面反應(yīng)速率常數(shù)與無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)相比有所增大；200V時(shí)的界面反應(yīng)的表觀激活能為79.82KJ，與無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)界面反應(yīng)的表觀激活能相比降低22.69KJ，即施加電場(chǎng)可以促進(jìn)擴(kuò)散連接反應(yīng)進(jìn)行。從熱力學(xué)角度對(duì)Al2O3/Ti擴(kuò)散連接中的反應(yīng)進(jìn)行分析，計(jì)算得到，說(shuō)明反應(yīng)可以發(fā)生。綜合上所述， Al2O3/Ti擴(kuò)散連接界面的相結(jié)構(gòu)為：Al2O3/TiAl[O]/Ti3Al[O]/α-Ti[A