Al2O3-TiC复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头组织分析

1、Al2O3-TiC复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头组织分析：采用金相显微镜、扫描电镜和电子探针，观察了al20，一tic复合陶瓷与crl8-m8不锈钢扩散钎焊接头的组织形貌，分析了元素在接头中的分布情况和界面附近区域元素的扩散情况。试验结果表明，ticu_ti中间层与陶瓷具有良好的反应能力，促进元素的相互扩散。al20，_tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩散反应层，其中一个位于crl8-ni8不锈钢侧，厚度约为175 m，成分主要是fe在b_ti中的圉溶体，feti化合物和tic；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为75岬，成分主要是tic，tio和tiai； 中间反应层厚度约为5 m，成分主要是

2、cu圉溶体和cuti相。关键词：al203tic复合陶瓷；不锈钢；扩散钎焊；ticuti中图分类号：tg4539：tg454 文献标识码：bal20，一tic复合陶瓷具有优异的高温强度、耐腐蚀及耐磨性能，在机械、汽车、电子、航空航天等领域有广泛的应用前景。由于陶瓷与金属在化学键类型、微观结构、物理性质和力学性能等方面存在较大的差异采用常规的方法是很难将其连接在一起并满足使用要求的r。目前，活性金属钎焊和固相扩散焊技术较成熟连接强度高，可重复性好，是实现陶瓷与金属连接的有效途径。固相扩散连接中界面的结合是靠界面塑性变形实现的，其连接温度较高 由于2种材料线膨胀系数和弹性模量不匹配，易在界面附近产

3、生高的残余应力，很难实现陶瓷与金属的直接扩散连接 2 。因此在进行陶瓷金属连接时。一般都采用在陶瓷和金属之间插入中间层金属的间接固相扩散连接方法。采用中间层的主要目的是减缓因陶瓷与金属的线膨胀差异而引起的热应力 同时也可起到抑制或改变界面生成物的作用： 中间层材料选择是复合陶瓷与钢扩散钎焊连接的关键问题。试验采用箔片状ticuti作为中间层。ti元素为强活性元素，对复合陶瓷有良好的润湿性；cu为较好的缓冲层材料能起到降低接头残余应力的作用。本文采用扩散钎焊工艺对a1 o3-tic复合陶瓷与crl8一ni8钢进行连接，利用金相显微镜、扫描电镜和电子探针观察钎焊接头组织形貌，分析元素在接头区域的分

4、布情况和界面附近区域元素扩散分布情况。通过对a1 o3一tic复合陶瓷与crl8一ni8钢的成功连接，并结合试验分析，对于深入研究用常规方法不易焊接时陶瓷与金属的连接有重要意义。收稿13期：20070220：修回13期：20070814基金项目：国家自然科学基金资助项目(50375088)1 试验方法试验所采用的陶瓷是在氧化铝中加入碳化钛而得到的复合陶瓷，其基体为氧化铝，呈白色。a1 o3一tic复合陶瓷的物理性能见表1。不锈钢采用crl8一ni8型奥氏体不锈钢厚度为15mm，不锈钢的化学成分和物理性能见表2。中间过渡层材料采用箔片状ticuti复合层，厚度为30 m。表1 al rc复合陶瓷

5、的物理性能组成 密度 抗弯强度 维氏硬度 断裂韧性值 线膨胀系数(质量分数)() o(g-cin-3) ，mpa hv x (mva-m ) kal (26-47)tic 416454 40060o 180o一230o 40o一60o 80 xl0表2 crl8一nj8不锈钢的化学成分(质量分数) ()及物理性能c cr ni 平均比热容 热导率 线膨胀(gcm-3) ，j(kgk) ，w(mk) 系数k熔点 密度，o12 16-20 811 o8 1 539 8o3 4511 268 1861o焊前将复合陶瓷与不锈钢表面进行打磨、擦洗后按陶瓷中问层不锈钢的顺序安装好，然后将试样放人扩散焊设备

6、中进行真空扩散钎焊。工艺参数为：加热温度1 100 1 150 oc；压力1020 mpa；保温时iq4070 min；保护气体为氮气。采用金刚石刀片切割扩散焊试样， 获得试验所用试样， 尺寸为10mmx7mmxl0mm。然后将试样磨制、抛光，用王水(hc1)：(hno3)=1：3)进行表面腐蚀。2 试验结果及分析21 接头显微组织特征图1为al20，一tic复合陶瓷与cr18一ni 文章来 源：清风教育 资源网www.qfs ky.c Om 8不锈钢扩散钎焊接头 本文章共2页，当前在第1页12下一页本文章共2页，当前在第2页上一页12的显微组织。由图可见，扩散钎焊接头界面区结合良好组织致密，

7、无宏观缺陷。图1可以显示出整个扩散钎焊接头由3层组成，分别用1，2，3表示。其中，1所代表的扩散层位于cr1820 试验与研究 焊接技术 第36卷第5期2007年10月ni8不锈钢侧的黑灰色组织区域，厚度约为175 m；2所代表的扩散层位于中间层与不锈钢之间靠近中间层侧，出现白色亮条区域，厚度约为5 plm；3所代表的扩散层位于陶瓷侧的黑白斑点交织区域，厚度约为75 plm。图1 ai203-tic复合陶瓷与crl8-n8不锈钢扩散钎焊接头显微组织22 接头的epma分析为了研究元素在接头区域的分布情况和界面附近区域元素扩散情况，利用jxa一8800r型电子探针(epma)对陶瓷与不锈钢扩散钎

8、焊接头区组织进行了线成分和点成分的分析。a1。o。一tic复合陶瓷与cr18一ni8不锈钢扩散钎焊接头的线成分如图2所示。从图中各元素分布线可知，各元素均产生了一定程度的扩散。两侧各组元相互扩散的结果是在交界面两侧形成了衬度与母材不同的相互扩散层。擎媾柑0 10 20 30 40 50 60 70 m)图2 aio3-tic复合陶瓷与crl8-ni8：锈钢扩散钎焊接头的线成分 1 500x在温度较低时，复合陶瓷rri以及不锈钢rri之间的反应速率较慢，此时主要发生ti与cu的扩散反应。由图2中ti。cu的线成分图可以看出， ，cu元素发生了剧烈的扩散。根据cu一|ri二元合金相图及文献资料在t

9、icu的界面上，首先生成cuti相和cu(ti)固溶体5。由于金属铜强度低，塑性高，所以中间层中的铜可以通过蠕变或者屈服变形机制有效降低接头残余应力。因此cu是较好的缓冲层材料， 接头中存在中间层cu起到了释放残余应力的作用，保证焊缝有良好的塑性。在高温下，rri不断向陶瓷和不锈钢表面扩散并与之发生化学反应，从而在陶瓷与中间层、中间层与不锈钢界面处形成了反应产物复杂的过渡层。在陶瓷侧，ri与al20 发生反应，生成了tio：，tim，与陶瓷基体al20。接触；rri与陶瓷中扩散来的c生成tic，tic增加了陶瓷一侧的润湿性，同时起到了弥散强化的作用，增强了接头的强度。整个反应层中在靠近陶瓷界面

10、的区域， 由于陶瓷分解扩散出来的氧较多 所以形成较多的0。；离陶瓷界面远的区域氧元素比较少，生成一定量的tio。观察发现，rri元素的扩散现象十分明显，且在陶瓷侧和不锈钢侧均有rri元素偏聚现象，这表明rri元素参与了界面反应。同时起到了活性元素作用，对于缓解a1 o 一tic复合陶瓷与crl8一ni8不锈钢接头的残余应力十分有利。从图2中的rrife元素分布线可见：rri与fe之间发生了一定程度的相互扩散，尤其是fe向 中扩散了较远的距离。在交界面附近这种成分的变化主要原因是不同元素具有不同的激活能和不同的原子半径而导致元素具有不同的扩散速度。fe的原子半径为012 nm。ti的原子半径为0

11、147 nm。因此，fe向rri扩散的速度要大于rri向fe扩散的速度。由tife二元相图可知，fe在bti中的溶解度较大(900时约为22一23)，因此高温下fe向 中扩散，主要是形成fe在bti中的固溶体，冷却时来不及转变而保留到室温，由于该扩散层是单相固溶体组织表现为白色亮条。另一方面 由于ti在fe中的溶解度极小，因此ti向fe中扩散除形成ti在fe中的固溶体外，还将形成部分fe和feti金属间化合物相e6，在微观组织中表现为黑灰色带。笔者对陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头区不同反应层进行了点成分的分析。图3是a12o3一tic复合陶瓷与crl8一ni8不锈钢扩散钎焊接头的背散射电子像，点成分

12、测定数据见表3。图3 al20广tic复合陶瓷与crl8-ni8锈钢扩散焊接头背散射电子像 1 50(0 文章来 源：清风教育 资源网www.qfs ky.c Om 表3 al20 ic复合陶瓷与crls-ni8：锈钢扩散焊接头epm 元素分析结果(摩尔分数) ()元素 cu 0 ti al ni cr mn si c fe 3431 098 783 200 5488 130 4870 040 045 4658 257 235 5488 4240 036 6846 1434 809 495 234 l03 079 27l 6082 2790 059 440 29l 027 040其中 ，位于反

13、应层1， ，位于反应层2，位于反应层3；在不锈钢侧反应层，根据 的元素比，可以判断为fe在bti中的固溶体，fe一 化合物，黑灰色； 含w(ti)487o ，w(c)4658 ，可以判断为tic；在中间反应层，黑色的( 相w(ti)5488 ，w(c)4240 ， 比例接近tic；( 区域为cu固溶体，并有扩散而来的少量o，ti，a1等元素；在陶瓷侧反应层，从表3中 的成分来看，由于此处从陶瓷侧扩散来的o含量较高，可初步推断灰色基体为tio相。3 结论(1)试验采用扩散钎焊实现复合陶瓷与不锈钢的连接工艺参数为：加热温度1 100 1 150 oc：压力1o 20 mpa；保温时间4o 70 m

14、in；保护气体为氮气。(2)选用tic ti作中间层扩散钎焊a1：o 一tic复合陶瓷与不锈钢，可有效地缓和接头残余应力，并且与陶瓷具有良好反应能力，可获得足够强度的复合陶瓷，不锈钢扩散钎焊接头。(3)a1：o 一tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩散反应层，其中一个位于cr18一ni8不锈钢侧厚度约为175m；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为75 m，中间反应层厚度约为5 m。(4)通过电子探针分析，ai：o _tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头的元素分布表明，a1：0，_tic复合陶瓷与不锈钢接头扩散反应形成产物主要有：靠近陶瓷一侧是ticti一0和 a1；靠近不锈钢一侧是fe在bti中

15、的固溶体，fe一 化合物和tic；中间一层是cu固溶体和cufri相。参考文献：1刘会杰，冯吉才陶瓷与金属的连接方法及应用j焊接，1999，43(6)：5-92vegter r hdiffusion bonding of zirconium to silicon nitride usingnickel interlayerjjoumal of material science，1998，33：4 52545303 treheux dmetalceramic said state bonding：mechanisms andmechanicsjsenpta metallu哂cal et materialia，1994，31(8)：1 055-1 060