论文部分内容阅读
氧化铝陶瓷是一种非常普遍使用的结构陶瓷，研究这类陶瓷与金属的连接有重要意义，这样就能实现陶瓷和金属的优点共存，更重要的是扩展了陶瓷与金属的使用范围。但是由于母材与焊料合金存在较大的CTE差异，导致传统的氧化铝陶瓷与304不锈钢焊接方法得到的焊接接头连接剪切强度不满足现代生产的使用要求。本文研究在氧化铝陶瓷内添加氧化锆陶瓷晶粒作为第二相，氧化锆陶瓷的热膨胀系数比氧化铝陶瓷高，这样就能提高陶瓷整体的热膨胀系数，使之与钎料合金的热膨胀系数相匹配，在此基础上研究陶瓷与焊料之间的反应界面和反应相的形成机理。 本课题研究发现，陶瓷母材与304不锈钢连接时，在陶瓷母材添加ZrO2颗粒能够提高钎料合金对陶瓷母材的润湿能力，主要体现在ZrO2颗粒更容易与钎料的活性元素Ti发生反应，反应层形成的产物能够有效的传递载荷，形成连接。ZrO2颗粒需要适量，添加量较小得到的界面反应层厚度较低，而ZrO2颗粒添加量过大得到的界面反应层厚度增加，但是反应层破坏了陶瓷母材结构，降低了接头的连接剪切强度。在ZrO2颗粒添加量为20vol%时，接头的连接剪切强度最大为246MPa。 用Ag-Cu-Ti焊料焊接Al2O3+ZrO2陶瓷/304不锈钢时，焊接工艺对接头的连接剪切强度有很大影响，适当的焊接温度和保温时间能够保证界面反应充分进行。当焊接温度较低和保温时间较短，焊接接头的界面反应不能充分进行，得到的界面反应厚度较小，不能有效的传递载荷，获得接头连接剪切强度低。然而焊接温度较高和保温时间过长，焊接接头的界面反应层厚度过大，形成了新的热应力，破坏了陶瓷母材结构，陶瓷与金属的接头也不能获得较高的连接剪切强度。因此焊接接头随焊接温度的升高和保温时间增高，界面反应层厚度增加，而接头连接剪切强度呈现先增加后降低的趋势。在焊接温度为900℃、保温时间为10min时接头的剪切强度达到最大为246MPa。 使用Ag-Cu-Ti焊料焊接Al2O3陶瓷/304不锈钢时，Al2O3陶瓷晶粒尺寸对焊接接头的连接剪切强度有着较大影响，陶瓷晶粒尺寸主要影响陶瓷母材的强度和断裂韧性，陶瓷晶粒尺寸较低，焊料对陶瓷母材的润湿能力差，钎料很难对陶瓷表面进行浸润。陶瓷晶粒尺寸较大，陶瓷强度降低，容易产生裂纹，钎料沿晶间渗入陶瓷界面，这降低了陶瓷母材强度，降低了接头的连接剪切强度。在晶粒尺寸为0.31um时，得到的连接剪切强度最大。 研究发现当Al2O3陶瓷母材内添加ZrO2陶瓷晶粒能获得优质焊接接头，分析了接头的结构：陶瓷母材-界面反应层-富Ti层-钎料合金层-不锈钢界面；界面反应层是陶瓷母材与钎料活性元素Ti的反应层。反应层厚度较低就不能有效的传递连接载荷，但是反应层厚度过厚就会在焊接界面产生新的热应力，同样参与反应的陶瓷过多会破坏陶瓷结构，也不会获得较高的连接剪切强度。只有合适的界面反应层厚度（约为5um）才能获得较高的接头连接剪切强度。