ZrO2陶瓷/Ti-6Al-4V反应润湿及钎焊工艺研究

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Ti-6Al-4V(TC4)钛合金具有高强度、良好的塑性、韧性以及低密度等优点,在航空航天、生物医学、汽车等领域得到了广泛应用。ZrO2陶瓷具有较高的硬度、强度、耐高温、抗腐蚀及耐磨损等性能,将钎焊技术用于ZrO2陶瓷—钛合金植入式神经微刺激器件的封接,能够获得较高的强度、塑性及良好的生物相容性。但是,钎料在陶瓷表面的润湿性能是影响陶瓷—金属接头性能的关键因素。  本文针对陶瓷/金属钎焊系统的反应润湿问题,研究了Ag-Cu-Ti晶态钎料和Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料在ZrO2陶瓷基体表面的润湿性,并应用这两种钎料对ZrO2陶瓷与Ti-6Al-4V钛合金进行了真空钎焊和氩气保护感应钎焊。研究了钎焊工艺参数对钎焊接头组织和性能的影响,分析了接头形成机理。研究结果如下:  (1)采用高速摄影观察,获得了Ag-Cu-Ti和Ti-Zr-Cu-Ni两种活性钎料在ZrO2陶瓷基体上的动态润湿铺展规律及界面行为,结果表明加热温度与保温时间对两种钎料在ZrO2陶瓷表面的润湿性具有较大影响。对于Ag-Cu-Ti钎料,加热温度为925℃,保温22min左右,铺展面积达到最大值109.27mm2;对于Ti-Zr-Cu-Ni钎料,加热温度为900℃,保温18min左右,润湿角达到最小值47.6°;  (2)采用Ag-Cu-Ti和Ti-Zr-Cu-Ni两种钎料实现了ZrO2陶瓷和Ti-6Al-4V合金的真空钎焊,两种钎焊接头界面组织结构分别为ZrO2/TiO+Cu2Ti4O+Cu4Ti3/Ag+Cu3Ti3O/Ti2Cu3/Ti2Cu3+CuTi2/CuTi2+CuTi3/TC4合金和ZrO2陶瓷/TiO+TiZrO+Ti6O+Ti3O+Ti2O/Cu3TiO4/CuTi3+Ni10Zr7+ZrCu+(TiZr)(CuNi)/αTi/TC4钛合金。保温时间与钎焊温度对钎焊接头性能具有较大影响。采用Ag70CuTi4.5钎料,钎焊温度为875℃,保温时间为15min时,钎焊接头四点弯曲强度与剪切强度最高分别达到191.9MPa和152.14MPa;采用Ti37Zr34Cu165Ni12.5钎料时,钎焊温度为925℃,保温时间为30min时,钎焊接头四点弯曲强度最高达到143.4MPa。而钎焊温度为925℃,保温5min时,接头最高剪切强度值达到105.78MPa;  (3)针对真空钎焊工艺复杂,升降温速率小,操作时间长且成本较高等缺点,采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料,实现了ZrO2陶瓷与Ti-6Al-4V合金的氩气保护感应钎焊。在钎焊温度为925℃,保温时间为5min时,接头最高剪切强度值达到37.85MPa,远低于真空钎焊接头强度,说明该方法虽然能够有效提高钎焊效率及能源利用率,降低连接成本,但由于感应钎焊工艺等问题使界面产生大量Ti的氧化物,导致接头性能下降,仍有待进一步研究和改善。
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