毕业论文范文——不同成分中间层分别连接CfSiO2复合陶瓷工艺研究

不同成分中间层分别连接Cf/SiO2复合陶瓷工艺研究摘 要Cf/SiO2复合陶瓷材料具有高耐热冲击、较高的力学性能、较低的热膨胀系数、质量轻便等特点，已经成为航天器重要的防热结构材料，并得到应用。本课题通过研究中间层设计和焊接工艺以实现Cf/SiO2连接。首先，采用软化温度分别为380C、450C、550C的玻璃粉以及熔点450C 的Zn-Al合金钎料钎料作为中间层材料，分别对Cf/SiO2复合陶瓷材料进行连接，研究了焊缝的微观组织结构，分析了焊缝缺陷及其形成机制，研究了焊缝与Cf/SiO2复合陶瓷结合界面形貌；其次，针对不同中间层，研究了不同温度制度对连接Cf/SiO2复合陶瓷的影响；同时，还研究了机械振动辅助对接头微观组织结构的影响，并进行了对比和讨论。本研究对采用玻璃连接Cf/SiO2复合陶瓷奠定一定试验基础，为其他陶瓷材料的连接提供一定参考。 关键词：Cf/SiO2复合陶瓷，玻璃中间层，Zn-Al合金钎料，机械振动A Study on Joint Cf/SiO2 Ceramic using interlayers of different compostionsABSTRACTCf/SiO2composite ceramic materials has been used in communications because of its high heat shock, low thermal expansion coefficient, high mechanical properties and light quality, become a important spacecraft thermal structure material, and also have been applied on some of the spacecraft.The design of interlayer and welding process has been studied to connect Cf/SiO2. First, the glass powder with softening-temperature of 380C，450C, 550C and Zn-Al alloy with melting-point of 450C are used to join the Cf/SiO2 composite ceramic materials, respectively. The microstucture of weld is studied. The weld defect and its formation mechanism is analysed. The interface microstucture of Cf/SiO2 composite ceramic materials is studied. Second, the effect of different temperature on the Cf/SiO2 composite ceramicis studied. At the same time, the influence of mechanical vibration assisted process on the microstucture of joint has been studied , and then the results are compared and discussed. The study established a partial test basis for joining Cf/SiO2 composite ceramic by glass and provide a partial reference for joining other ceramics.Key Words: Cf/SiO2 Composite Ceramic Glass Interlayer Zn-Al Alloy Mechanical Vibration目 录第一章 绪论11.1 课题研究的目的11.2 陶瓷连接方法1 1.2.1 真空钎焊1 1.2.2 惰性气体保护钎焊2 1.2.3 机械振动辅助钎焊21.3 陶瓷连接中间层设计2 1.3.1 玻璃氧化物钎焊陶瓷2 1.3.2 金属焊料焊接陶瓷5 1.3.3 非金属混浆连接陶瓷61.4 研究问题的提出及研究内容6第二章 试验材料及方法82.1试验材料8 2.1.1 母材8 2.1.2 中间层82.2试验设备及试验方法8 2.2.1 钎焊设备8 2.2.2 机械振动辅助钎焊9 2.2.3 钎焊接头微观组织结构分析10第三章 夹具的设计113.1 焊接夹具113.2 力学性能测试卡具11第四章 低温玻璃粉134.1 温度的影响134.2 机械振动的的影响154.3 焊缝组织17 4.4 焊接缺陷18第五章 中温玻璃粉205.1 Ts=450C玻璃粉205.2 Ts=550C玻璃粉215.3 不同玻璃粉的影响22第六章 锌铝钎料合金25 6.1 未施加机械振动25 6.2 施加机械振动26结论28参考文献28致谢31天津理工大学本科毕业论文第一章 绪论1.1课题研究的目的 Cf/SiO2复合陶瓷材料具有高耐热冲击、耐烧蚀、质量轻便等特点，由于已经成为制备重要航天器的防热结构材料。并且已经在某些航天器上得到了应用1-5。虽然能够有效连接陶瓷的方法有很多，包括扩散焊连接、活性金属钎焊和玻璃中间层钎焊等，但是每一种连接技术都有自己的局限性。一般来说，使用玻璃或玻璃陶瓷层本质上是能将陶瓷与陶瓷连接起来，基于玻璃陶瓷之间优越的化学相容性，以及由于玻璃相组成在很大的范围内可以调节，包括玻璃化温度、热膨胀系数、力学强度、热导率等在内的性能都可以进行调节。针对不同的陶瓷材料，可以选择不同的玻璃中间层来满足要求6-8。 1.2 陶瓷连接方法1.2.1真空钎焊 根据文献9的研究，采用Al-28Cu-5Si-2Mg钎料在真空连接Si/LY12和SiCp/2024Al复合材料。当保温时间一定时，随着钎焊温度的升高，焊接接头的强度也随之升高，并且在550C保温4min时获得最高强度为33Mpa焊接接头。进一步研究发现当温度继续升高时，焊接接头的强度却在下降。并且在其他条件一致时，保温时间越长焊接接头的强度越高，并且在3min时得到最高强度为33Mpa的焊接接头。之后随着保温时间的持续增加，接头强度开始缓慢减小；当保温时间超过4min后，接头强度下降的速率增大。据分析，这是由于在保温时间较短、钎焊温度较低的情况下，钎料的量不足以充分在母材上润湿，并且大量碳化硅颗粒聚在一起，也会会严重阻碍钎料的流动以及在母材表面的润湿，使得焊缝出现间隙，导致接头强度的降低。根据文献10的研究，采用MgO-Al2O3-SiO2(MAS)体系玻璃粘结剂作为钎料连接SiC陶瓷。研究结果显示当温度达到1480C时获得效果最好的接头并且MAS钎料的润湿性能受钎焊气氛的影响。在焊接中间层是高强度高温稳定性碳氧化物玻璃的前提下，中间层的黏度和强度由MAS钎料和SiC母材之间的反应决定。MAS钎料的热膨胀的能力大多数情况下和SiC母材在800C时一样。因此，当SiC样本升温到800C时，接头获得出342-380Mpa的强度。然而当900C钎焊时，接头强度降至80Mpa。这是因为中心层在900C时会发生软化。1.2.2惰性气体保护钎焊文献11采用HL402+0.4%Mg+0.1%Bi的钎料，配合QJ201钎剂在Ar保护气氛下对体积分数为15%的SiCp/3031Al复合材料进行钎焊。研究结果表明，在615C保温6min时，获得质量最好的焊接接头，剪切强度达到了35Mpa。并且焊接接头的剪切强度和钎焊温度呈正相关，和保温时间呈负相关。当温度升高，保温时间变长，焊接接头的剪切强度也明显降低。因此一定的钎焊温度和合适的保温时间是形成质量良好的焊接接头的必要条件。1.2.3机械振动辅助钎焊根据文献12机械振动作用于液体时会产生“声空化”作用和“声涡流”作用，可以粉碎破坏固体表面的氧化膜。对于液体钎料来说，破坏固体表面氧化物之后更有利于液态钎料在母材表面的润湿铺展。根据文献13-17机械振动可以直接施加在液态钎料池中，还可以加在待焊试件上。机械振动辅助钎焊可以说是一种无钎剂，在大气环境下可以直接进行钎焊的方破除氧化膜，促进焊缝组织的均匀和细化，提高焊缝的强度和韧性。 1.3陶瓷连接中间层设计1.3.1玻璃氧化物钎焊陶瓷根据文献Y2O3或（MgO）-Al2O3-SiO2体系的玻璃粘结剂对Si3N4陶瓷的连接使用最广，为了改善Y-A-S或M-A-S体系玻璃与Si3N4陶瓷热膨胀系数的差异，常在玻璃粘结剂中添加La2O3,CaO和TiO2。但根据文献18-19Y-A-S或M-A-S体系玻璃的热膨胀系数分别是7.510-6/C和5.9610-6/C，Si3N4陶瓷的热膨胀系数仅为3.510-6/C。根据20研究发现Y-SiAlON体系玻璃的热膨胀系数会随着玻璃内N成分的含量的增加而降低。根据21对Si-Al-RE基氧氮玻璃体系中加入少量的Si3N4粉末形成Y2O3或（MgO）-Al2O3-SiO2-Si3N4等的氧氮玻璃体系。采用Y-A-S-S或M-A-S-S氧氮玻璃体系的玻璃粘结剂连接Si3N4陶瓷得到了力学性能等好的焊接接头。文献22研究使用了Y-Si-Al-O-N体系的玻璃粘结剂在1550C-1725C的温度区间进行对Si3N4陶瓷的连接，结果发现在用高Y低Al的玻璃中间层封接时，结合区存在空洞。对于晶界玻璃相较多的Si3N4，其焊接接头的强度与玻璃中间层和晶界玻璃的相互作用有关；对于晶界玻璃相较少的Si3N4，其焊接接头的强度和玻璃中间层在Si3N4表面的铺展性有关。16图1.1氮化硅陶瓷接头的微观组织结构Figure1.1 Microstucture of silicon nitride joint文献23使用了Y2O3-Al2O3-SiO2体系的玻璃中间层连接氮化硅陶瓷，研究在1823K保温10-45min获得最高连接强度为315Mpa的接头。分析接头组织发现当连接温度升高时，连接接头的厚度会降低。这是由于在氮化硅陶瓷复合材料表面和中间层形成Si3N4/Si2N2/Y-Si-Al-O-N玻璃/Y-Si-Al-O玻璃/Si2N2O析晶相/氮化硅梯度界面层，这种成分分层，在一定程度上改善了玻璃和陶瓷热膨胀系数差异，同时Si2N2O有增强截面强度的作用。之后对焊接接头进行高温力学性能测试发现当试验温度升高至1023K时弯曲强度会快速下降，这是因为Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃的软化导致接头的性能下降。根据文献24的研究，采用Ca-Al-Si-O体系玻璃成功连接ZrB2-SiC复合材料。采用软化温度1400C的Ca-Al-Si-O体系玻璃，在1440C室温条件下钎焊试样获得了三点弯曲强度测试的强度为277Mpa的焊接接头。连接接头的强度在高温时会相应降低。当温度800C时连接接头强度大约是200Mpa。根据文献25的研究，采用Zn-Al合金钎料2O3-B2O3-SiO2(ZABS)玻璃粉作为中间层连接氧化铝陶瓷。结果显示在连接温度1150C-1250C时，ZABS玻璃在氧化铝陶瓷反应界面形成了ZnAl2O4层。经SEM检测和XRD研究揭示连接温度对连接接头有明显的影响。低连接温度（1150C）会导致细孔，在高连接温度（1250C）时的连接接头组织出现裂纹。在1200C温度下获得了最佳强度为285Mpa的接头。根据26氧化物钎料焊法，就是指利用氧化物钎料由高温熔化形成的玻璃相向母材渗透并润湿，来达到材料之间的连接的目的。因此，该方法也被称为玻璃中间层钎焊法。目前玻璃中间层可分为易熔玻璃中间层（温度在500C以下）和难熔玻璃中间层（使用温度在500C以上）两类。易熔玻璃是一种更稳定的玻璃中间层。经反复加热冷却后，其物理化学性质基本不变，这类玻璃在电子器件中应用最早。可广泛应用于陶瓷、搪瓷、玻璃色釉，电子器件的釉膜，等离子体平板电视的浆壁、封接剂等众多领域。在真空电子器件中以PbO玻璃中间层应用最广泛，主要应用于真空电子器件零件间的封接，如光学纤维面板和电子束管电极引线的封接；半导体和集成电路的钝化和封装等。在氧化物玻璃中间层的发展中，含铅的玻璃中间层曾经由于其较优异的综合性在封装领域获得了广泛的应用，绝大多数的含铅氧化物封装玻璃中PbO的含量都较高，对人体的生命安全以及环境保护都有害。近年来，电子封装领域对封装工艺有了更高的要求，既要更低的封接温度，又能有更高的封接强度。于是，无铅氧化玻璃中间层开始逐渐取代含铅玻璃中间层。1.3.2金属焊料焊接陶瓷 根据文献27的研究，他们采用Ag-Cu共熔黄铜作为钎料连接氧化铝陶瓷和Kovar合金。连接之后陶瓷表面用等离子脉冲和电弧PVD技术预处理。这个揭示了对于未经表面处理的陶瓷在这项工艺之前是必要的。这个被提议的技术可能会代替时间和能源消耗最常用的方式都是基于多重步骤的表面预处理，包括烧结和热处理在提高温度。这个同样和用活性钎料是由于在钎焊温度峰值时更低的钎焊温度和更短的热处理时间。 根据文献28的研究，她采用Ag-Cu-Ti钎料对氧化铝陶瓷和Kovar合金进行钎焊连接。研究确定钎焊温度为900C、保温时间为5min时，氧化铝陶瓷和Kovar合金之间的成分依次是：TiO+TiFe+TiNi3/Ag-Cu共/Ti+Fe2+TiNi3/TiFe2+Cu(s,s)+Ag(s,s)。当钎焊温度为900C保温时间5min时得到抗剪强度最高达到144Mpa的接头。 文献29使用碳化硅颗粒增强活性钎焊合金钎料连接氮化硅和钢，研究发现在250C使用活性金属钎焊填充合金Incusil ABA加10%碳化硅获得了最高平均弯曲强度523Mpa。微观形貌如图1.2所示。研究还发现碳化硅颗粒添加在中间层中会降低钢铁和陶瓷之间的残余应力。23图1.2 Incusil ABA填充合金活性钎焊SiC的微观形貌Figure 1.2 Microstructure of Incusil ABA filler alloy active brazing SiC 1.3.3非金属混浆连接陶瓷根据30使用Si3N4陶瓷粉末混成混浆后均匀涂抹到Si3N4陶瓷表面，在13Mpa的高连接压力下实现了将氮化硅陶瓷成功的连接起来，但是母材却发生了较大的变形。根据31的研究，他们利用湿态连接技术，用陶瓷混浆来连接氧化铝陶瓷。研究发现在1550C时保温0.5h，四点弯曲测试出平均接头强度为35278Mpa。湿态连接技术是指采用陶瓷泥浆与氧化铝陶瓷经过高温烧结后连接在一起，而且用与母材成分完全一致的混浆作为中间层可以得到一个成分均匀的微观结构。1.4研究问题的提出及研究内容本课题以碳纤维增强二氧化硅复合材料陶瓷为研究对象，为防止碳纤维氧化，只能选用中低温的中间层材料，熔融状态的玻璃与陶瓷母材润湿性较好，热膨胀系数可调，而Zn-Al合金钎料熔化温度也低于500C，因此选用3种玻璃粉和1种合金作为中间层进行对比；其次母材表面的氧化膜阻碍中间层的润湿铺展，尤其Zn-Al合金钎料氧化迅速，在大气条件下实施焊接，需要考虑氧化膜的破除问题，因此选择机械振动辅助作为对比，并且机械振动有可能减少玻璃中间层的气孔。为这两种连接陶瓷的工程应用提供试验参考，结合研究路线图(图1.2)对主要研究内容阐述如下：(1)使用软化温度为380C的玻璃粉，在500C、700C和800C三种温度下进行钎焊。对三种温度下连接的接头试样微观形貌进行分析。(2)对在用软化温度为380C的玻璃中间层连接Cf/SiO2复合陶瓷时，施加机械振动。观察施加机械振动后，连接接头的组织形貌的变化情况。(3)使用软化温度450C和550C的玻璃粉，分别在500C和700C时连接Cf/SiO2复合陶瓷。将连接接头与软化温度380C的连接接头进行对比，通过分析相同连接温度下不同类型玻璃中心层接头微观组织形貌，试判断不同软化温度的玻璃中心层在Cf/SiO2复合陶瓷表面铺展润湿的能力。(4)使用Zn-Al合金钎料连接Cf/SiO2复合陶瓷。在施加机械振动之后，观察连接接头的微观组织变化。试分析对比金属连接接头与非金属连接接头的组织差异。图1.2 研究路线图Figure 1.2 Roadmap for study第二章 试验材料及方法2.1 试验材料2.1.1 母材本课题中使用的母材为碳纤维增强二氧化硅复合材料，来自哈尔滨工业大学材料学院。叙述基体种类、颗粒种类、和颗粒体积分数以及玻璃中间层的成分。测量母材的热膨胀系数（CTE）及曲线。母材的力学性能，剪切模量和拉伸弹性模量。采用低速精密切割机把试样加工成10103mm的试样。材料的连接表面先用200#金相砂纸打磨，随后放在无水乙醇中超声波清洗并烘干。通过金相显微镜观察复合材料微观组织（照片）分析金相。2.1.2 中间层本试验使用的钎料共4种，其中，玻璃粉3种，软化温度分别为380C、450C、550C；金属合金钎料1种，为Zn-Al合金钎料箔。Ts380C的玻璃粉是铅基玻璃，铅基玻璃玻璃中间层具有较多优异性质，而且具有较低的软化温度、热膨胀系数可调等多种优势。既可作为良好的封接粉体，又广泛应用于陶瓷与金属方面的焊接。2.2 试验设备及试验方法2.2.1 钎焊设备焊接试验所用的加热设备是SX-5-12马弗炉，如图所示。设备额定功率为5KW ，配有温控系统，额定电压为交流220V，电源频率50-60Hz，最高控制温度1200C，温度波动为5C 。将待焊试样用无水乙醇超声波清洗之后，在夹具上夹紧后放入马弗炉内。试样装配如图所示。开始加热，炉内升温至钎焊温度T，并保温一段时间t min;加热完成后采用随炉冷却的方式，冷却至150C后再从炉中取出，防止玻璃中间层出现裂纹以及试样氧化。图2.1马弗炉Figure 2.1 Muffle furnace2.2.2 机械振动辅助钎焊将待焊试样清洗干净之后放在夹具上夹好，再放在感应电圈中加热至温度T，并保温时间tmin。在加热的同时，打开机械振动系统。保温结束后采用随炉冷却，冷却至室温后取出试样，防止玻璃中间层突然过冷产生裂纹。图2.2 机械振动辅助试验示意图Figure 2.2 Joining test diagram研究结合强度方法所用的机械振动系统主要包括电源、机械振动控制系统、加热台、温度测试反馈控制系统、气压系统等组成部分；振幅范围为4-15m，振动频率为20 kHz，输出功率为0.2-1kW，气压范围为0-5MPa；最高加热温度700C。加热和焊接过程中，使用镍铬镍硅热电偶测量并控制加热温度，热电偶焊接在待侧部位，同时采用4个温度通道检测4个部位的温度变化，测试精度为1C。2.2.3 钎焊接头微观组织结构分析采将切割好的陶瓷试样用牙托粉镶嵌好后，在平板上用200#和500#磨去切割时留下的刀痕，最后用粒度为1.5m 的金刚石抛光膏抛光。然后将镶有试样的牙托块至于无水乙醇中使牙托块溶解，取出试样置于无水乙醇中进行超声波清洗后吹干备用。并且使用放大100倍的显微镜观察抛光试样接头的质量。当试样待测表面没有划痕时，采用日本Olympus公司生产的OLYMPUS-PMG3金相显微镜进行观察金相样品的微观结构。第三章 夹具的设计3.1 焊接夹具钎焊夹具的设计目的：采用夹具，可以准切保证试样在一定的压力下紧密结合在一起，防止气体的进入对于形成良好的焊缝有一定的作用。钎焊夹具的主要作用是保证试样焊接过程的顺利完成。如图3.1所示，设计一个夹具夹紧钎焊试样。夹具底座尺寸为为80mm60mm10mm，夹具垫片尺寸为40mm8mm1mm，选用M3螺钉。 图3.1 焊接夹具结构图Figure 3.1 Welding fixture structure3.2 力学性能测试卡具能够衡量接头力学性能的参数主要是焊接接头的抗剪强度。如图3.2所示，设计出一个能同时测量宽度为2mm、3mm、5mm、10mm的力学性能测试卡具。如图3.3所示，将焊接接头放在卡具中，施加一定载荷来测量接头抗剪强度。抗剪强度按照公式（2-1）进行计算，测量时压头移动速度为 0.5mm/s。记录接头断裂时所施加的载荷F。 （2-1）式中F断裂载荷（N）S接头焊缝处有效面积（mm2） 抗剪强度（Mpa） 图3.2力学性能卡具结构设计图Figure 3.2 Mechanical fixture structure design图3.3 卡具的剪切示意图 Figure 3.3 Fixture of shear diagram第四章 低温玻璃粉为了探究机械振动对钎焊接头组织的影响，试验设定在500C钎焊条件下的Ts380C玻璃中间层分别在机械振动和未机械振动的情况下连接Cf/SiO2陶瓷。机械振动设定振幅范围为4-15m，振动频率为20 kHz。并且为了探究不同的钎焊温度对钎焊接头微观组织的影响，试验还分别设定了中温700C和高温800C，施加机械振动，保温时间一定。依次来探究Ts380C玻璃在不同温度范围下的焊接情况。4.1 温度的影响图4.1给出了未经过机械振动的Ts380C玻璃中间层在不同温度条件下的Cf/SiO2的接头部分照片。f)e)d)c)b)a)图4.1 不同温度下的焊缝微观组织结构Figure4.1 Mircostructure of welding line in different temperaturea) 、b)500C c)、d)700C e)、f)800C图4.1 a)所示，焊接接头出现了大量气孔以及纵向或横向的裂纹。图b)是焊缝局部区域放大后的照片，从中可以清晰地看到裂纹和细小的气孔。由图4.1 c)发现，当钎焊温度为700C时，虽然玻璃中间层已经将Cf/SiO2陶瓷连接在一起，焊缝中仍出现了许多缺陷。如图4.1 d)可以发现焊缝中大量弥散着黑色衬度的颗粒相图可以明显的观察到晶粒长大的现象，且焊缝组织中出现了多相之间相互融合的现象。并且焊缝内部晶粒长大，并且碳纤维由于温度低还未与玻璃中间层完全反应。由于玻璃中间层黏度随着钎焊温度的升高而减小，可以观察到焊缝内的气孔明显减少。此外，焊缝的界面处还出现了大量夹杂的现象。如图4.1 e)可观测到当连接温度为800C时，焊缝内部的气孔减少，并且在界面处出现了一层银色的光亮带。通过观察图4.1 f)可以发现焊缝中弥散着少量的黑色衬度的颗粒相以及大量发亮的颗粒相，而且可以观察到界面处析出的光亮带中存在许多小气孔，但气孔小，不足以造成大量的微裂纹。如图4.1b)、c)所示，700C时的气孔数量有减小的趋势，焊缝和Cf/SiO2陶瓷的界面反应程度增加，焊缝中也出现了许多黑色衬度和白色衬度的颗粒相。而且500C时的夹杂少，但这些杂质都聚在Cf/SiO2陶瓷和玻璃中间层连接的界面处。图4.2所示为在不同钎焊温度下形成的不同缺陷。b)a)图4.2不同钎焊温度条件下的焊缝微观组织（未钎透）Figure 4.2 The microstructure under the conditions of different brazing temperature (not drill through)a) 500C b) 800 C 并且如图4.2b）所示，当钎焊温度达到800C时，随着温度的升高，母材向钎料的溶解度变大。与500C的焊缝微观组织结构相比，800C的气孔变小且集中在反应界面处，推测在这些部位很容易形成微裂纹；进一步可能证明温度与玻璃的润湿性成正比。 综上所述，通过对比Ts380C玻璃中心层不同温度时的连接接头发现：第一，随着温度的升高，焊缝组织的气孔缺陷有减小的趋势并且裂纹现象得到了缓解。推测裂纹减少是由于随着温度的升高玻璃中间层热膨胀系数与Cf/SiO2复合陶瓷差异变小。第二，母材向中心层逐渐溶解，并且在800C时玻璃中间层与母材完全反应。推测这是由于随着温度升高，玻璃中间层润湿和铺展能力得到改善。4.2 机械振动的影响 为了研究机械振动对钎焊接头组织结构的影响，试验设定机械振动振幅范围为4-15m，振动频率为20 kHz以及不加机械振动，同在500C温度下钎焊。观察钎缝微观组织形貌。如图4.3.1所示。c)d)b)a)图4.3相同连接温度下，未机械振动和机械振动焊缝微观组织a)未机械振动 b) 机械振动 Figure 4.3 The microstructure of welding line in same temperature if mechanical vibration or not 由图4.3.发现，相同连接温度，经过机械振动和未经机械振动的界面微观组织结构存在着较大的差别。未经机械振动的钎焊接头如图4.3 a）所示，不仅连接接头存在大量的气孔和裂纹，并且还出现了大面积夹杂现象。虽然玻璃中间层已经将Cf/SiO2复合材料陶瓷连接在一起，但是由于钎焊温度较低，玻璃中间层没有足够的粘滞流动性，所以Cf/SiO2气孔中的气体来不及排出而造成焊缝出现较多的气孔。经过机械振动的钎焊接头如图4.3 b)所示，在机械振动的辅助下，Cf/SiO2中残留的气体已经排出，未出现气孔现象，但是仍出现有夹杂的情况。如图4.4 a)所示经过机械振动过后的玻璃焊缝裂纹减少。图4.4 b)是焊缝区域局部放大图，焊缝厚度约为50m。从图中可以清晰的发现焊缝组织出现沿着焊缝方向的裂纹。在机械振动的辅助作用下，焊缝内部组织更均匀。在母材和玻璃中间层的反应界面处还能清晰地观测到母材中的碳纤维有熔于玻璃中间层的趋势。a)b)a)）图4.4钎焊温度500C条件下，经机械振动后得到焊缝微观组织Figure 4.4 Brazing temperature of 500C, under the condition of the weld microstructure resulting from the mechanical vibration综上所述，机械振动能有效地改善焊缝内部出现气孔以及垂直于焊缝方向的裂纹的问题。并且经过机械振动后，能得到组织成分均匀的焊缝。推测机械振动辅助钎焊下的连接接头的质量更好。4.3 焊缝组织从图4.5中可以明显观察到，母材内的碳纤维增强相有向玻璃中间层溶解的趋势。这有可能是母材自身溶入焊缝的速度增快，碳纤维发生了明显的迁移。这一现象有助于形成质量较好的焊缝。a)b)图4.5 700C时Cf/SiO2陶瓷熔于玻璃中间层Figure 4.5 Cf/SiO2 ceramic melted in glass interlayer at 700C 如图4.6所示，当钎焊温度为800C时出现了未钎透的缺陷。分析其微观结构时因为熔化后的碳纤维在同高温下流动性较好的玻璃相互融合。并且焊缝处钎料出现了许多细小的气孔，在焊缝内部稳定的组织区域内并没有出现气孔。图4.6 800C时焊缝出现为钎焊现象Figure4.6 Welding line appears incomplete penetration at brazed temperature 800 如图4.7 a)所示，焊缝内部出现空隙，但焊缝其他部分的组织都较为均匀并且出现了许多黑色衬度和白色衬度的颗粒相。推测这些颗粒相有可能是玻璃中间层晶化而形成的。并且在玻璃中间层和母材相接的界面处出现发亮的物质，这说明玻璃中心层与母材之间已经完全反应。形成的新物质和新颗粒相有可能有利于增强焊缝连接强度。a)b)图4.7 800C时的钎焊焊缝微观结构Figure4.7 Microstucture of brazing joint at 800C4.4 焊接缺陷图4.8为在500C、700C和800C情况下出现的不同类型的气孔缺陷。d)c)a)b)图4.8 不同温度下形成的气孔缺陷 Figure 4.8 The formation of porosity under different temperature a)、c)500C b)700C d)800C如图4.8所示，不论在500C、700C还是800C的焊缝内部都存在气孔，分析气孔出现的原因有二：第一，Cf/SiO2复合陶瓷自身结构疏松，在空气中存放的时间场之后，陶瓷内的空隙之间的气体由于温度的升高而跑到了玻璃中心层当中。但因为不同温度下玻璃中心层的粘流性不同，部分气体没能及时排出形成了气孔。第二，由于在大气条件下连接，空气中的各类气体可能会跟随着软化的玻璃进入焊缝内部，从而形成气孔。另一方面，由于随着温度的升高，焊缝中的气孔逐渐减少。进一步证明这是由于温度的升高，玻璃的粘流性所以玻璃中间层在母材表面的润湿铺展得到提升。如图4.9所示，裂纹主要有沿着焊缝方向的裂纹以及垂直于焊缝方向的裂纹。两种形成裂纹的示意图如图4.10所示。横向裂纹主要是由于焊缝在凝固收缩时而形成的，而横向裂纹则是由于钎料和母材的热膨胀系数相差太大，就是所谓的母材和钎料之间的热失配现象，而形成了沿着焊缝方向的裂纹。a)b)图4.9 不同裂纹的形式Figure4.9 In the form of different crack 图4.10 两种裂纹形成的原理示意图Figure4.10 The principle diagram of two kinds of crack formation第五章 中温玻璃粉 为了对比不同软化温度的玻璃粉连接Cf/SiO2的焊缝组织，本章分别采用Ts450C和Ts550C的玻璃粉作为中间层连接陶瓷，焊接方法仍为大气条件下马弗炉烧结。5.1 Ts=450C玻璃粉由图5.1可以发现在500C钎焊的钎焊接头的厚度约50m，焊缝内部存在大量的不同尺寸的气孔，并且焊缝内部存在沿着焊缝方向以及垂直焊缝的裂纹。a)b)a)图5.1 Ts450C玻璃粉500C钎焊温度条件下的接头微观组织 Figure 5.1 Ts450 C glass powder at 500 C microstructure of interlayer 由图5.2可以发现在相同钎焊温度下，Ts450C玻璃粉钎焊的焊缝厚度是Ts380C玻璃粉的焊缝的1/4。Ts450C的焊缝中的气孔尺寸远大于Ts380C的焊缝中的气孔，并且Ts450C中存在沿着焊缝和垂直于焊缝的裂纹，但在Ts380C时只存在垂直于焊缝的裂纹。经分析推测，Ts450C中出现较大气孔和横纵向裂纹的原因：其一是由于500C时Ts450C的中温玻璃流动性较小，出现较多来不及排出的焊缝的气孔；其二是由于Ts450C的中温玻璃中间层500C时在Cf/SiO2复合陶瓷材料表面的润湿铺展性能较差，造成焊缝内部出现较多裂纹；其三是由于Ts450C的中温玻璃中间层500C时的热膨胀系数与Cf/SiO2复合陶瓷材料存在较大差异，在焊缝形成过程中多处发生应力集中，产生了裂纹。a)b)a)图5.2 当钎焊温度为500C时的接头微观形貌Figure 5.2 Joints microstructure of brazing temperature of at 500 C a) Ts380C b) Ts450 C5.2 Ts=550C由图5.3可以发现在700C钎焊的钎焊接头的厚度约200m，焊缝内部存在大量的不同尺寸的气孔，并且焊缝内部存在较多垂直焊缝的裂纹。在玻璃中间层与母材之间的界面处明显发生了反应，具体发生的反应需要进一步检测。b)a)图5.3 Ts550C 玻璃粉700C钎焊温度条件下的中间层微观组织 Figure 5.3 Ts550 C glass powder at 700 C microstructure of interlayer 如图5.4所示，Ts380C低温玻璃中间层的焊缝的厚度为Ts550C高温玻璃中间层的4倍，焊缝内部明显出现了夹杂、气孔等缺陷，并且焊缝内部的晶粒由于高温严重长大。而Ts550C的高温玻璃中间层中出现较宽的黑色间隙，据推测黑色间隙有可能是由于玻璃中间层不足造成；焊缝内部存在许多白色衬度的颗粒相；并且母材和玻璃中间层之间界面发生反应形成了一层新的物质。具体发生的反应以及界面处具体物质有待进一步检测。b)a)图5.4 当钎焊温度为700C时的接头微观形貌Figure 5.4 Joints microstructure of brazing temperature of at 700 Ca) Ts380C b) Ts550 C综上所述与Ts450C玻璃中间层相比，Ts380C玻璃中间层组织具有较好的微观组织；与Ts550C玻璃中间层相比，Ts550C玻璃中间层的焊接接头具有更好的微观组织结构。5.3 不同玻璃粉的影响由图5.2可以发现在相同钎焊温度下，Ts450C玻璃粉钎焊的焊缝厚度是Ts380C玻璃粉的焊缝的1/4。Ts450C的焊缝中的气孔尺寸远大于Ts380C的焊缝中的气孔，并且Ts450C中存在沿着焊缝和垂直于焊缝的裂纹，但在Ts380C时只存在垂直于焊缝的裂纹。经分析推测，Ts450C中出现较大气孔和横纵向裂纹的原因：其一是由于500C时Ts450C的中温玻璃流动性较小，出现较多来不及排出的焊缝的气孔；其二是由于Ts450C的中温玻璃中间层500C时在Cf/SiO2复合陶瓷材料表面的润湿铺展性能较差，造成焊缝内部出现较多裂纹；其三是由于Ts450C的中温玻璃中间层500C时的热膨胀系数与Cf/SiO2复合陶瓷材料存在较大差异，在焊缝形成过程中多处发生应力集中，产生了裂纹。a)b)图5.5 钎焊温度为500C时不同玻璃粉接头的微观形貌Figure5.5 Microstructure of joint by using different glass at brazing temperature 500C a) Ts380C b) Ts450 C如图5.6所示的是在钎焊温度700C时，使用不同软化温度的玻璃中间层形成的不同种缺陷。 b)a)图5.6 钎焊温度为700C时不同玻璃粉接头的微观形貌Figure5.5 Microstructure of joint by using different glass at brazing temperature 700C a) Ts380C b) Ts550 C Ts380C低温玻璃中间层的焊缝的厚度为Ts550C高温玻璃中间层的4倍，焊缝内部明显出现了夹杂、气孔等缺陷，并且焊缝内部的晶粒由于高温严重长大。而Ts550C的高温玻璃中间层中出现较宽的黑色间隙，据推测黑色间隙有可能是由于玻璃中间层不足造成；焊缝内部存在许多白色衬度的颗粒相；并且母材和玻璃中间层之间界面发生反应形成了一层新的物质。具体发生的反应以及界面处具体物质有待进一步检测。综上所述，Ts380C玻璃中间层组织由于在500C时具有更好的润湿铺展能力，相较于Ts450C具有较好的微观组织；由于700C时的接头处于各种组织变化阶段，出现了许多缺陷，相较于完全发生界面反应后Ts550C玻璃中间层，Ts550C玻璃中间层的焊接接头具有更好的微观组织结构。所以高温有助于玻璃中间层与母材之间的反应，反应后的连接接头将或具有更高的连接强度。第6章 锌铝钎料合金玻璃润湿性在陶瓷母材表面较好，但脆性大韧性差，本章尝试选用Zn-Al合金钎料作为钎料连接Cf/SiO2陶瓷，研究焊缝组织，与玻璃粉做中间层进行对比。Zn-Al合金钎料的成分如图所示。表6-1 Zn-Al合金钎料的化学成份 (wt.%)Table 2-3 Chemical composition of the Zn-Al合金钎料 filler metals (wt.%)ZnAlCuAg杂质95.034.900.0520.0064余量图6.1 Zn-Al合金钎料微观组织Figure 6.1 Microstructure of Zn-Al合金钎料 solder6.1 未施加机械振动在大气条件下，采用马弗炉直接加热焊接陶瓷，发现Zn-Al合金钎料迅速氧化，在母材表面不润湿，不能完成连接。因此考虑在钎焊过程中施加机械振动，破除氧化膜，在大气条件下完成有效的焊接。6.2 施加机械振动图6.2为使用Zn-Al合金钎料，施加机械振动后在550C时得到的接头显微组织照片。观察图a)的接头显微照片可以发现，焊缝的厚度约为50m，焊缝组织良好，没有发现缺陷。和使用玻璃中间层连接的接头相比，焊缝厚度变小，气孔、夹杂和裂纹等缺陷得到了明显的改善。图b)是焊缝内部区域局部放大的照片，从中发现焊缝组织良好，并没有发现缺陷。可以明显观察到母材中的碳纤维插入到焊缝中，但是焊缝和母材的界面已经很模糊，不能观测到具体界面之间发生的反应。b)a)图6.2钎焊温度550C条件下的Zn-Al合金钎料的钎缝微观组织Figure 6.2 550 C under the condition of zinc - Al alloy brazing seam microstructure经过分析Cf/SiO2接头的组织成分可以推测，施加机械振动后焊缝中的气泡都排出，并且由于合金自身固有的韧性好的特点，机械振动并没有造成焊缝中产生裂纹。a)b)图6.3 不同中间层在钎焊温度在550C时的钎缝微观组织结构Figure 6.3 Among different layer in the brazing temperature at 550C of brazing seam microstructurea) Ts380C玻璃中间层 b) Zn-Al合金钎料经过上面对比发现，在未施加机械振动的情况下，由于Zn-Al合金钎料在空气中迅速氧化，故在母材表面不润湿，不能实现有效连接。当施加机械振动后在500C下使用Zn-Al合金钎料钎焊Cf/SiO2复合陶瓷材料得到了微观组织均匀且良好的焊缝。与相同连接温度下的玻璃中间层连接接头相比，由于金属材料固有的韧性远好于玻璃材料，当加入机械振动后，并不会因为外加振动而造成接头组织产生裂纹。并且由于金属的流动性好，在低温机械振动钎焊的过程中，气体都能顺利排出，不会出现气孔。结论本课题选用软化点为380C、450C和550C的3种玻璃粉和Zn-Al合金钎料作为中间层在不同温度下连接进行对比；其次Zn-Al合金钎料氧化迅速，在大气条件下实施焊接，加入施加机械振动辅助作为对比。通过对接头微观形貌和组织的分析，得出以下结论：(1)不同玻璃中间层的影响：通过对比相同温度下Ts380C、Ts450C和Ts550C玻璃中间层的连接接头发现，较高的连接温度有助于玻璃中间层与母材之间的反应，反应后的连接接头将或具有更高的连接强度。(2)合金钎料的影响：在未施加机械振动的情况下，由于Zn-Al合金钎料在空气中迅速氧化，故在母材表面不润湿，不能实现有效连接。当施加机械振动后在500C下使用Zn-Al合金钎料钎焊Cf/SiO2复合陶瓷材料得到了微观组织均匀且良好的焊缝。与相同连接温度下的玻璃中间层连接接头相比，由于金属材料韧性远好于玻璃材料，当加入机械振动后，并不会因为外加振动而造成接头组织产生裂纹。由于金属的流动性好，在低温机械振动钎焊的过程中，气体都能顺利排出，不会出现气孔。(3)温度的影响：通过对比Ts380C玻璃中心层在500C、700C和800C时连接接头发现：第一，随着温度的升高，焊缝组织的气孔缺陷有减小的趋势并且裂纹现象得到了缓解。推测裂纹减少是由于玻璃中间层热膨胀系数差异随着温度的升高而变化，与Cf/SiO2复合陶瓷热膨胀系数变小。第二，母材向中心层逐渐溶解，并且在800C时玻璃中间层与母材完全反应。推测这是由于随着温度升高，玻璃中间层的流动性变好，更好在Cf/SiO2表面润湿和铺展。第三，在700C时母材出现向焊缝熔合的现象，并且在800C时界面处出现一层光亮带，分析判断产生的未知物质可能有利于焊缝的强度。(4)机械振动的影响：机械振动能有效地改善焊缝内部出现气孔以及垂直于焊缝方向的裂纹的问题。并且经过机械振动后，能得到组织成分均匀的焊缝。推测机械振动辅助钎焊下的连接接头的质量更好。参考文献1 周玉.陶瓷材料学M.1.哈尔滨:哈尔滨工业大学, 1995:1-50.2 贾德昌 周 玉 雷廷权.热压工艺对 SiO2f/SiO2 复合材料结构J.宇航材料工艺, 2001(1).3 温广武 , 雷廷权 , 周 玉.石英玻璃基复合材料的研