（材料科学与工程专业论文）si3n4陶瓷二次ptlp连接过程与机理研究.pdf

摘要 摘要 本文通过实验系统研究了s i 龇t i c u t i s i 扎p t l p ( p a r t i a lt r a n s i e n t l i q u i dp h a s e ) 连接和s i 3 f q j t i c u n i c u t i s i 扎二次p t l p 连接中间层厚度、工艺 参数等对s i s 。陶瓷连接接头界面微观结构、反应层厚度、元素分布、室温强度的影 响，探明了二次p r l p 连接接头高温强度随温度变化的规律，并对p t l p 连接过程动 力学进行了研究，建立了s i 批陶瓷p t l p 连接数值模型和p t l p 连接参数优化选择 模型。论文主要结论如下： 采用t i c u t i 中间层对s i 3 n 陶瓷进行p t l p 连接，界面微观结构为： s i 3 n 以i n 1 i - s i 化合物c u - t i c u ，随着t i 箔厚度的增加，反应层厚度增加，c u - t i 层增宽；t i 箔厚度达到一定值后，随t i 箔厚度增加，t i n 层增厚，同时t i - s i 化合 物层亦逐步增厚在相同连接参数下，t i 箔过薄不能形成连续的反应层导致连接 强度极低：t i 箔过厚，则因脆性反应层增厚，使连接强度亦降低；采用t i 箔厚 度为1 0pm 、c u 箔厚度为2 5 0 i im ，在1 0 5 0 、保温3 h 的试验条件下获得 s i 扎t i c u t i s i 扎连接接头室温四点弯曲强度为2 l o m p a 。 s i 小1 4 t d c u t ds i 3 n 4 i v r l p 连接过程动力学研究表明：界面反应层的生长符合扩 散控制的抛物线方程。1 3 2 3 k 时，反应层生长因子为a = 9 2 3 4 x1 0 s m s ”；在1 2 8 3 1 3 4 3 k 的温度范围内，反应层生长的激活能为8 7 2 k j t o o l 。等温凝固层厚度；和等 温凝固时间t 之间亦满足抛物线关系。在1 3 2 3 k 时，等温凝固速率因子乜为1 5 l o 。 m s 船。p t l p 连接时，反应层增长和等温凝固同时进行，通过改变时间和温度可以 协调这两个动力学过程，使反应层达到最佳厚度z c 时，等温凝固刚好完成，以同时 获得高的室温连接强度和高温连接强度。 采用t d c u n i c u i 中间层对s i 3 n 4 陶瓷进行二次p t l p 连接，界面微观结构为 s i ，n d 反应层c u - n i 固溶体层( 少量的c u - n i - t i ) n i ；t i 箔厚度对连接强度的影响 是通过对反应层厚度的影响体现的；改变二次连接工艺参数对界面反应层厚度无 明显影响，其对室温连接强度的影响是由于连接接头残余应力和界面结合强度的 变化所导致的；接头高温强度在试验温度4 0 0 c 时达到最大，随后随试验温度升高， 高温强度降低，但在8 0 0 c 前，其高温强度具有很好的稳定性。 建立了s i , n 。陶瓷二次p t l p 连接过程数学模型，阐述了利用该模型选择连接参 数的方法。在一次p n j 连接后形成的等温凝固层与陶瓷不再发生明显反应时：对 于特定的s i g n 陶瓷连接，在一定连接温度时，首先应根据实验结果和文献的数据确 定最佳反应层厚度z c ；其次，根据z c 选择最佳活性金属箔厚度矸焉；根据选定的秭 摘要 就可决定第一次p 1 l p 连接时间，然后再确定第二次p t l p 连接液相均匀化和等温 凝固时间根据本文提出的模型并按如上顺序选择参数，可以同时保证连接强度和 接头耐热性。 在试验分析基础上，根据菲克定律建立了豇、s i 、c u 在连接接头界面区的扩散 模型，并进行了数值模拟，通过与实际测量的结果加以比较，可以看出本模型在一 定程度上较好地反映了各元素在界面的扩散行为，具有其合理性 采用弹塑性分析方案，通过有限元计算，模拟了s i 3 n t 陶瓷二次p t l p 连接接头 残余应力的分布。结果表明：在靠近连接界面的陶瓷表面存在最大残余应力，是影 响接头抗拉强度和抗弯强度的主要因素之一，在界面以及陶瓷一侧距界面一定距离 的位置是导致接头破坏的两个主要薄弱区域。在二次p r r l p 连接试样的室温四点弯曲 强度试验中发现，断裂位置均在近界面陶瓷部分，说明连接接头的断裂均是由残余 应力所主导的，故强度试验结果并不能真实反映界面连接强度。强度试验和断裂分 析的结果表明：界面一陶瓷混合墅断裂具有最高的室温连接强度。 关键词：s i 3 陶瓷，p t l _ p 连接，界面结构，连接强度，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t p a r t i a lt r a n s i e n tl i q u i d - p h a s e ( p t l p ) b o n d i n ga sw e l la sd o u b l ep t l pb o n d i n go f s i 3 n 4c e r a m i c w e r ec a r r i e do u ti nt h e p r e s e n tw o r kb yu s i n g t i c u t i m u l t i i n t e r l a y e r sa n dt d c u n i c u t im u l t i - i n t e r l a y e r s , r e s p e c t i v e l y n ee f f e c t so f i n t e r l a y e rt h i c k n e s sa n db o n d i n gp a r a m e t e r so ni n t e r r a c i a lm i c r o s t r u c t u r e ，r e a c t i o nh y e r g r o w i n ga n de l e m e n td i s t r i b u t i o na sw e l la st h ej o i n ts t r e n g t hh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n , k i n e t i c so f p t l pb o n d i n gp r o c e s sh a sa l s ob e e ns t u d i e d b a s e d o nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s an u m e r i c a lm o d e lf o ro p t i m i z i n gp n t b e n d i n gp a r a m e t e r si n y 兀jb e n d i n go f s i 3 n 4c e r 0 j l l i c st oa c h i e v eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a se s t a b l i s h e d 1 1 l ej o i n ti n t e r r a c i a lm i c r o s t r u c t u r es h o w e dal a y e r e ds t r u c t u r eo fs i 3 n 4 t i n ( r e a c t i o nl a y e r ) t i s ic o m p o u n d s c u - t is o l i ds o l u t i o n c ua f t e rp 1 1 jb o n d i n gw h e n n c i l 厂nm u l t i - i n t e r l a y e r sw a se m p l o y e d t h et h i c k n e s so f b o t ht h er e a c t i o nl a y e ra n dt h e c u - t il a y e ri n c r e a s e d 晰t l lt h ei n c r e a s i n gi nt h i c k n e s so ft ii n t e r l a y e r w h e nt h e t h i c k n e s so ft ii n t e r l a y e re x c e e d e dac r i t i c a lo n e t h e ，n s ic o m p o u n d sl a y e rb e g a nt o t h i c k e na n dt h e j o i n ts t r e n g t hw a sr e d u c e dd u et ot h eb r i t t l e n e s so f t i - s ic o m p o u n d sl a y e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ej o i n ts t r e n g t hw a sl o w 、】l ，i t l la t h i n n e r 1 3i n t e r l a y e rd u et ot h ef o r m a t i o no fan o n - c o n t i n u o u sr e a c t i o nl a y e r ；w h e r e a st o o t h i c ka 面i n t e r l a y e ra l s or e s u l t e d i nal o ws t r e n g t hb e c a u s eo ft h ef o r m a t i o no ft h i c k b r i t t l er e a c t i o nl a y e nt h es t r e n g t ho f j o i n tp t l pb o n d e dw i t ht i c i l 弧m u l t i i n t e r l a y e r s m e a s u r e da tr o o mt e m p e r a t u r ew a s2 1 0 m p aw h e nf o l l o w i n gb e n d i n gp a r a m e t e r sw e r e u s e d - b e n d i n gt e m p e r a t u r e1 0 5 0 0 c ，h o l d i n gt i m e3 h , - f ii n t e r l a y e rl o i m aa n dc ui n t e r l a y e r 2 5 0 p m i n v e s t i g a t i o n o fk i n e t i c sa s s o c i a t e dw i t hs i 3 n d t i c u t d s i 3 n 4y n jb e n d i n g p r o c e s sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r o w t ho fi n t e r f a c er e a c t i o nl a y e ro b e y e dt h ep a r a b o l al a w g o v e m e db y t h ed i f f u s i o no fp a r t i c i p a t i n ge l e m e n t s t h eg r o w t hc o e f f i c i e n tk ta tb o n d i n g t e m p e r a t u r eo f1 3 2 3 kw a sd e t e r m i n e d t ob e9 2 3 4 l 矿m ，s 1 尼；m ec o r r e s p o n d i n g a c t i v a t i o ne n e r g yo fg r o w t hw a s8 7 2 k j m o lb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e1 2 8 3 ka n d 1 3 4 3 k 1 1 圮t h i c k n e s so fi s o t h e r m a l l ys o l i d i f i e dl a y e r , 5 。a n dt h e i s o t h e r m a l s o l i d i f i c a t i o nt i m e ，a l s oo b e y e dt h ep a r a b o l ae q u a t i o n t h ei s o t h e r m a ls o l i d i f i c a t i o n v e l o c i t yc o e f f i c i e n t 颤w a sd e t e r m i n e dt ob e1 5 x1 0 。7m s 怩d u r i n gt h ep t l pb o n d i n g p r o c e s s ，b o t hp r o c e s s e so ft h er e a c t i o nl a y e rg r o w t h a n dt h el i q u i dp h a s ei s o t h e r m a l a b s t r a c t s o l i d i f i c a t i o ns h o u l db eh a r m o n i z e d ，i e ，t h ei s o t h e r m a ls o l i d i f i c a t i o ns h o u l db e c o m p l e t e da st h er e a c t i o nl a y e rg r e wt o t h eo p t i m a lt h i c k n e s sz c ，i no r d e rt o i n c r e a s ej o i n ts t r e n g t ha tr o o mt e m p e r a t u r ea n da th i g ht e m p e r a t u r es i m u l t a n e o u s l y t h ej o i n ti n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r eo fd o u b l ey 兀jb o n d i n gs i 3 n 4c e r a m i cw i t h t i c u n i c u t im u l t i - i n t e r l a y e r sw a si nt h ef o r mo fs i 3 n 4 r e a c t i o nl a y e r c us o l i d s o l u t i o n ( c o n t a i n i n gal i a l ec u - n i ec o m p o u n d s ) n i s i m i l a rt ot h ep t l pb o n d i n go f s i 3 n 4c e r a m i cw i t ht i ，c u 门丘m u l t i i n t e r l a y e r s t h et h i c k n e s so ft if o i lh a ds i g n i f i c a n t e f f e c to nj o i n ts t r e n g t hd u et ot h ef o r m a t i o no fr e a c t i o nl a y e r 、 r i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s u n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o n s d o u b l ep t l pb o n d i n gp a r a m e t e r ss h o w e dl e s si n f l u e n c eo n t h et h i c k n e s so fr e a c t i o nl a y e ri ns i 3 n 4 t i c u n ii n t e r f a c e ，a n de f f e c to ft h a to nj o i n t s t r e n g t hw a sc h a n g eo fr e s i d u a ls t r e s sa n di n t e r f a c es t r e n g t h t h ej o i n ts t r e n g t hw a s i n c r e a s e dt ot h eh i g h e s tv a l u ew h e nb e n d i n gt e s tt e m p e r a t u r ew a sr a i s e dt o4 0 0 0 co w i n g t ot h er e l a x a t i o no fr e s i d u a ls t r e s s ，a n dt h e nt h ej o i n ts t r e n g t hw a sg r a d u a l l yd e c r e a s e d 、i t l lt h ef u r t h e ri n c r e a s i n gi nt e s t i n gt e m p e r a t u r e h o w e v e r , t h eh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t h s h o w e ds t a b i l i t yi f t h et e m p e r a t u r ew a sl e s st h e n8 0 0 c t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i 3 n 4d o u b l ep t l pb o n d i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e di n o r d e rt oc h o o s eo p t i m l z e db o n d i n gp a r a m e t e r s w h e nt h ei s o t h e r m a l l ys o l i d i f i e dl a y e r c o n t a i n e dt o ol e s st it o 删w i t hc e r a m i c 。t h eo p t i m a lr e a c t i o nl a y e rt h i c k n e s s ，z c ， c o u l db eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h el i t e r a t u r ea n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa tt h eg i v e n b o n d i n gt e m p e r a t u r e t h e nt h et h i c k n e s so fr e a c t i v em e t a ll a y e r , 雕。a n dt h e f i r s t b o n d i n gt i m ec o u l db ee s t i m a t e da c c o r d i n gt om ez c t h es e c o n db o n d i n gt i m ew a s d e t e r m i n e da tl a s t u s i n gt h eb o n d i n gp a r a m e t e r sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h em o d e lw a s a b l et om a k et h e j o i n tw i t hn o to n l yh i g hs t r e n g t hb u ta l s oh i g hh e a t - r e s i s t a n l d i f f u s i o nm o d e lo fe l e m e n t sn 、s ia n dc uw i t h i nt h ej o i n t sw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt of i c k sr u l e t h ee l e m e n td i f f u s i o nw a ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h o s eo f a c t u a le x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h ee s t a b l i s h e dm o d e lc o u l d p r e d i c tw e l lt h ed i f f u s i o nb e h a v i o ro f e l e m e n t s r e s i d u a ls t r e s s e sd i s t r i b u t i o no fs i 3 n 4d o u b l ep t l pb o n d i n gj o i n th a sb e e n s i m u l a t e db yu s i n gt h em e t h o do ft h e r m a le l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s i m u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a r g e s ts t r e s sw a so nt h es u r f a c eo ft h ec e r a m i c ，w h i c h w a so n eo ft h et w om a j o rf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h ej o i n ts t r e n g t h mi n t e r f a c ea n dt h e r e g i o na d j a c e n tt ot h ec e r a m i cw e r et h ew e a k e s ta r e aa tw h i c hc r a c k sa r ef o r m e df i r s ta n d a b s t r a c t t h e np r o p a g a t et ol e a dt h ej o i n tf r a c t u r e t h ed o u b l ep t l pb o n d e dj o i n tf r a c t u r e da tt h e i n t e r f a c en e a rt h ec e r a m i c t h i sm e a n st h a tt h er e s i d u a ls t r e s si st h em a j o rr e a s o nl e a d i n g t h ef r a c t u r eo f j o i n t , r a t h e rt h a nd u et ow e e ki n t e r r a c i a ls t r e n g t h c o n s e q u e n t l y , t h ea c t u a l i n t e r r a c i a ls t r e n g t hc o u l dn o tb ep o s s i b l et ob em e a s u r e db yb e n d i n gt e s t s i na d d i t i o n , b e n d i n gt e s t ss h o w e dt h a tai n t e r f a c e - c e r a m i cm i x e df r a c t u r ee x h i b i t e dt h em a x i m u m j o i n ts t r e n g t ha tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dw h i c h c o u l db ep r e d i c t e db yf r a c t u r ea n a l y s i s k e y w o r d s ：s i 3 n 4c e r a m i c ：p 1 1pb o n d i n g ：i n t e r f a c es t r u c t u r e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 堕主笙塞! ! = ! ! ：塑至三坚旦! ! 堡堡垒堡2 垫墨竺圣 第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 新一代技术革命领域，生物工程、新能源、信息工程、宇宙开发和海洋工程，急 需大量新材料。现代工业技术的发展，也要求材料能在更加苛刻的服役环境下可靠地 工作，因而对结构材料性能的要求也越来越高。金属材料已逐渐不能满足这一不断增 长的需要。以高温合金为例，尽管高温合金的研究开发取得了重大的进展，使用温度 从4 0 年代的8 0 0 左右提高到7 0 年代的1 1 0 0 ，但从7 0 年代末以来，人们明显感 到，由于受金属基体熔点的限制，继续提高高温合金的使用温度愈来愈困难。所以 7 0 年代末至8 0 年代初，人们对发展高温材料的兴趣开始转向陶瓷研究表明，采用 陶瓷材料制备发动机来提高热效率是汽车节油的主要途径。近2 0 年来各主要工业发 达国家都十分注重特种陶瓷的研究与开剔1 , 2 1 随着结构陶瓷( s i 3 n 4 ，s i c ，s i m o n 等) 应用领域的不断扩大，尤其在制造内燃机和热交换器等部件方面的广阔应用前景，结 构陶瓷的连接( 特别是非氧化物陶瓷的连接) 已日益显现出重要性，这是因为通过陶 瓷连接工艺可以实现低成本制造形状复杂、多组分部件，同时可以提高陶瓷结构的可 靠性，并可用于破损陶瓷的修复。氮化砖陶瓷具有优良的高温力学性能和良好的耐腐 蚀、磨损性能，是结构陶瓷中最有应用前景的材料之一，因而研究氮化硅陶瓷的连接 具有重要的实用价值吲。 陶瓷材料很典型的两个问题是：( 1 ) 陶瓷材料一旦烧制成型，其显微组织由晶体 相、玻璃相和气相组成，无法通过冷加工改变其显微组织。陶瓷中的固有缺陷如气孔、 微裂纹等控制着陶瓷的力学性能，所以陶瓷材料的强度服从w e i b u i l 统计分布，小块 陶瓷材料易于获得较好的力学性能，而大块陶瓷材料则难以获得同样优良的力学性能 t 4 】；( 2 ) 陶瓷材科以离子键和共价键为主要结合键，低温下没有塑性变形能力，使结 构复杂的陶瓷零件的一些尖角处和细观损伤处出现很大的应力集中，这种应力集中不 能期望象金属材料那样通过局部的塑性变形的方式加以转移和松弛。由于上述问题一 时无法解决，故大尺寸或结构复杂的陶瓷零件的设计和制造，采取连接技术是必要的。 同时，有效的陶瓷，金属连接，对于充分发挥两者性能上的互补性、降低制造成本具 有重要意义 陶瓷，金属连接技术的应用是从制造真空电子管开始的，且随着电真空技术的发 展得以不断发展合适的陶瓷一金属联合结构能够充分发挥各自的优越性，从而满足 综合的使用要求。例如核熔融反应堆中具有不导电性能的陶瓷窗框与金属基体的连 接：高温发动机中陶瓷叶轮轴与金属轴的连接；外科手术中插入骨头内的a 1 2 0 3 与金 属的接头。据报道，在美国a 1 2 0 3 a 1 2 0 3 、舢2 0 3 金属接头已被应用到1 2 2 个部件上， 第一章绪论博士论文 有二十六种连接形式和方法。另外，陶瓷与金属的连接还应用于海洋开发、空间技术、 印刷电路、不同金属化合物之间的连接、生物材料的连接等各个方面。最近日本一份 资料表明，陶瓷，金属连接技术是开发商效率陶瓷发动机最关键的技术。表1 1 给出了 一些陶瓷与金属连接技术应用的实例【5 - 7 】。 表1 1 陶瓷，金属连接的应用领域和实例 应用领域具体零部件 发动机火花塞，陶瓷活塞顶，涡轮增压器等 放电器件闸流管电晕放电稳压管部件等 半导体及集成电路二极管及三极管管壳封装，真空i c 封装。大规模和超大规模集成电路 基片金属电路的制备 光电器件金属，陶瓷电子电子柬管和光电倍增管 电光源高压钠灯，闪光灯和弧光灯等 激光激光谐振腔，激光输出窗和放电管壳及电极 高能物理观察探测窗，反应堆元件，绝缘引线及探头密封 能源高能电池，燃料电池，热离子交换器外壳等 寞空设备绝缘密封件，回旋质谱仪，放电泵等 切削工具陶瓷刀具金属加工工具等 微波电子器件微波半导体元件，收集极部件输能窗等 医疗器械心脏刺激元件。x 光管壳 核能压力和电流的转换接口，反应堆元件等 可以确信，随着各种连接技术的推广使用，不仅能促使现有的特种陶瓷材科更 快地进入实用化阶段，而且还可能促使一些产品设计的变革，进而推动某些领域更快 的发展。 正是在特种陶瓷材料和先进复合材料不断发展的背景下，陶瓷陶瓷、陶瓷金属 连接己成为亟待解决的、为当前国内外材料科学工作者最为关注的前沿领域之一，对 它的研究在工程和基础理论研究方面都极具重要的应用和学术价值。 1 2 陶瓷，陶瓷、陶瓷，金属连接技术研究现状及进展 虽然陶瓷材料具有硬度高、强度高、耐高温、耐化学腐蚀等优点，但其固有缺 点：本征脆性、强度分散和加工性差又限制了陶瓷材料的广泛应用 g l 。陶瓷材料必将 伴随着陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属连接技术的突破而得到广泛应用。 近三十年来，陶瓷金属( 陶瓷陶瓷) 连接技术发展迅速，各种连接方法相继闯 世，主要有机械连接 9 1 、有机和无机粘结剂粘接1 0 1 、熔化焊接( 包括激光焊接和电子 束焊接) i n ，嘲、摩擦焊 t 3 l 、玻璃氧化物法队堋、问接钎焊1 1 6 1 、固相扩散连型1 1 9 1 、 热等静压连接“5 】、r r l p 连接 2 0 一2 9 l 、活性钎焊 3 0 - 3 4 1 等。各种连接方法的适应性和优缺 点的简单比较列于表1 2 1 2 2 1 2 博士论文s i , n 陶瓷二次p t l p 连接过程机理研究 表1 2各种陶瓷，金属连接方法的比较 连接 连接 耐热性能密封研究与 强度 ( k ) 生产率成本存在的问题 应用现状 方法 ( m p a ) 性能 机械 1 0 - - 5 07 0 0 无高低应力集中大 连接 粘接 1 3 0 0好低高 陶瓷，金属组合少应用 仅适于焊a l 、研究期，很 摩擦焊 5 m 五0 05 0 0好 低中等 c u 等软金属少应用 玻璃氧化 仅适合于功能研究期，很 物法 5 0 - 5 0 0 1 3 0 0 好高中等 性真空封接少应用 要预先对陶瓷表面 工业应用于 氧化物陶瓷 间接钎焊 l o o 3 8 0 0好高中等 进行金属化处理 封接 固相扩散 仅适合形状简单的研究期，很 连接 l o o 5 0 01 3 0 0好低高 接头。成本高少应用 热等静压 研究期，很 连接 1 0 m 巧0 01 3 0 0好 低 高同上 少应用 p 1 1 j 连 接 3 0 01 3 0 0好低高同上研究初期 活性 正在扩大工 1 0 0 - - - 5 0 0 8 0 0 好高低缺乏高温钎料 业应用 钎焊 机械连接主要借助于结构设计，螺栓和铆钉是最简单的连接方法，但接头的密封 性差，陶瓷的加工也有一定的困难。“热套”法制造的接头虽然有一定的密封性，但 耐热温度有一定的限制( 世嘲缸增尊 、巾中巾巾，t 第一章 绪论博士论文 r d 如蚺矗_ o h d 啊i 凡山如山d 嘲d i _ e d 哪冒工 讪 甜 圈1 4 中间层的相对厚度对t i a f 钢接头残余应力的影响 ( t = 1 0 7 3 k , p = - 2 0 m p a t = 3 0 m i n ) 从以上图中分析可知：选择r ，l 较小的中间层可以降低接头的残余应力，提 高接头强度，同时中间层的相对厚度应越小越好但在实际应用中，发现并不是这样， 他们认为，这是由于中间层在受力过程中，不能自由变形，而受到工件的限制，在扩 散连接过程中，又有母材的合金元素向中间层扩敬，引起中间层强化，这样就会造成 扩散连接时接头性能与中间层受力过程中的行为有关，就是说接头性能与中间层的相 对厚度有关，中间层有一定的强化系数，即 o s = 气。k o b = 盯也 式中：口。为在接头中中间层的剪切强度；盯。为中间层的剪切强度：为在接头 中中间层的拉伸强度；盯。为中问层的拉伸强度：k 。为强化系数。 也= 石4 + 1 ( 3 ”2 x ) 考虑到中间层的接触强化影响及被焊金属表面物理接触的形成要求，当选择中间 层时，为降低接头的残余应力，应尽量选择r ，l 较小的中间层，同时中间层厚度应在 能保障形成充分物理接触的前提下取较小的厚度 7 0 年代初，日本的上田幸雄等以有限元法为基础，对各向异性材料提出了考虑 材料力学性能随温度变化的热弹塑性有限元理论，并导出了分析所需的各个表达式。 后来大量的分析计算和实验研究均证实采用热弹塑性有限元法来进行整个焊接过程 的力学行为模拟是完全可行的。热弹塑性分析考虑了金属的塑性变形对残余应力的影 响，比线弹性分析结果更加接近实际，特别是迸一步考虑材料性能( 如热膨胀系数、 弹性模量) 与温度关系后，使计算结果更加准确。汪建华等人【7 4 1 对陶瓷金属扩散焊接 的残余应力作了相关的模拟，采用三维热弹塑性有限元法对截面为4 m m x 5 m m 的方 试件进行了残余应力分析并与c p s m m 圆棒试件的二维轴对称分析进行了比较由于 陶瓷与金属t l p 连接的温度很高，属于高温热弹塑性问题。弹塑性分析考虑了温度 对材料性能的影响，分析时必须加以考虑。 1 2 芒，j i1i叫!ii i 11li 博士论文 s ig n 陶瓷二次p t ”连接过程与机理研究 计算表明：陶瓷部分的最大拉伸应力位置刚好与其开裂处一致，其断裂面呈抛物 线状也与相应的主应力方向吻合( 见图1 5 ) ；当无过渡层时，方试件与圆棒试件进行 有限元计算后所得的残余应力分布见图1 6 。从图中可以看出，在靠近焊缝的陶瓷侧 中心轴附近存在很大的径向压应力，而轴向应力和剪切应力很小，甚至可以忽略；但 在外表面附近侧存在很大的轴向拉应力，因此在靠近界面的陶瓷表面上残余应力最 大，该处往往成为裂纹的萌生处。因此，通过对接头残余应力的有限元分析，可以充 分了解接头形状和中间层材料的种类及厚度对残余应力的影响，从而为接头设计和中 间层的选择提供依据。 i i f f f i l f 崩 、，- l ，一j 。 i m 酬 i - 由y 口 f 聃i n m 图1 5 断裂面和轴向应力分布 图1 6 两种接头的残余应力分布 1 4 3t l p 扩散连接数值模拟研究存在的问题 t l p 扩散连接的数值模拟，虽然已有许多学者进行了研究并在不断的改进，但此 扩散过程受多种因素影响，从数学上要准确的描述它是非常困难的，现阶段的研究主 要存在以下的问题： 1 ) 1 r i j 扩散连接过程是一个很复杂的过程，在早期的研究中人们对其只建立了 一维的数值模型，这使得实际情况不能在模型中完全体现。 2 ) 在现有的模型中，多数没有考虑偏析、晶体缺陷、晶界等对元素扩散的影响， 其假设情况还不够接近于实际情况，因而计算结果与实际结果仍存在一些误差。 3 ) 在早期的接头应力分析中，假设被连接材料是弹性体，而金属在高温下会发 生塑性变形，因而误差较大最近人们采用热弹塑性分析，使结果更接近于实际，但 由于缺少高温条件下热膨胀系数、杨氏模量和泊松比等力学参量的具体数据，这也给 第一章 绪论博士论文 计算结果带来了一定的误差。 4 ) 由于在对扩散连接接头的残余应力分析中，无论是解析法还是有限元法，几 乎都未考虑材料间扩散过程中所形成的反应层，而此反应层是影响接头残余应力及接 头性能极其重要的因素，因而其计算模型在很大程度上降低了分析结果的准确性 对上述问题还需要进一步的摸索和研究，有关理论和关键技术尚需进一步完善， 使其模型的建立更加精确；在接头应力数值模拟过程中，应考虑温度对材料性能变化 的影响，使计算结果可以更加接近于实际，最终达到接头性能设计与控制的目的。 1 5 本论文的研究内容和研究目标 在目前研究和开发的连接方法中，活性钎焊和固相扩散连接是实现陶瓷与金属高 强度连接的最有效可靠的和最具发展前景的两种连接方法，但是单独地发展一种方法 往往很难较全面的解决在工艺、设备和接头性能等方面所遇到的问题。尚处于研究早 期阶段的陶瓷p t l p 连接的出现可谓是最具有代表性的进展之一。本论文提出采用 t dc u n i c u f i i 多层中间层进行s i 3 n 4 陶瓷二次p t l p 连接的新方法，该方法在p t l p 连接的基础上，通过两步加热保温的工艺过程和复合中间层的选择，不但能有效地阻 止脆性化合物的形成，提高连接强度，而且n i 层的加入能显著提高接头的耐高温性 能。目前p t l p 连接在技术上特别是在基础理论方面还很不成熟。本论文研究采用 t i c u n i 作为中间层进行s i 3 n 4 陶瓷的二次p 1 1 l p 连接，研究成果亦可直接用于s i 3 n 4 陶瓷与n i 基高温合金的p t l p 连接目前，迫切需要从科学的角度对该技术开展广 泛深入的研究，包括界面行为、连接过程( 中间层熔化、液相区扩大、等温凝固和固 相成分均匀化) 动力学，连接参数优化选择( 连接温度和中自j 层厚度) 的理论模型等 研究目标有两个： ( 1 ) 探讨该新技术的基础理论问题并建立数理模型： ( 2 ) 在理论和模型的指导下，合理设计中间层，优化连接参数，提高接头室温和 高温强度。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 采用t i c u t i 中间层，在一定的连接参数下，通过改变中间层厚度，研究中 间层厚对界面结构和连接强度的影响规律： ( 2 ) p t l p 连接过程界面反应层生长和等温凝固界面迁移动力学研究； ( 3 ) 采用t i c u n i c u t i 复合中间层进行s i 3 n 4 陶瓷层的二次”l p 连接，研究 中间层厚度、连接工艺参数对界面结构、室温强度以及连接强度随试验温度 的变化规律； ( 4 ) 建立二次f r l p 连接过程和参数优化的数学模型； 1 4 ( 5 ) s i 止“陶瓷p t l p 连接接头界面区元素扩散和分布数值模拟； ( 6 ) s i 3 n 4 陶瓷二次p 1 r i j 连接接头残余应力分布的数值模拟； 第二章试验材料和方法博士论文 第二章试验材料和方法 2 1 试验材料 s i 扎是一种共价键化合物，s i n 键之间结合相当牢固，具有高温强度高、抗热 震性能好、高温蠕变小、耐磨损、耐腐蚀和低比重等优良性能，是一种最有希望用 于热机的高温结构陶瓷表2 1 列出了热压s i 3 n 。陶瓷的有关数据。本文试验中使用 了清华大学提供的热压复合s i 3 n 。陶瓷，它是在通常s i 扎陶瓷中加入少量的t i c 和 a l ：0 。、z r 0 2 、y z 0 3 等烧结助剂，与一般氮化硅陶瓷相比，具有高温硬度高、可进行电 火花加工的优点和特点本文采用s i 3 n 陶瓷的尺寸为1 8 m i n x1 8m m x8 哪。 表2 1s i 小l , 陶瓷的主要性能参数 性能项目热压s 1 3 n 4 陶瓷 密度( g c m 2 1 3 2 5 - 3 3 5 抗弯强度( m p a ) 5 0 0 7 0 0 断裂韧性( m p a 鬲) 6 o 8 o 硬度( h r a ) + 9 2 9 4 弹性模量( g p a ) 3 0 4 3 3 0 熟膨胀系数0 0 。6 k ) 3 2 3 5 升华点( k ) 2 1 7 3 热导系数 j ( c m s k ) 】 o 1 5 5 0 2 9 3 h 0 2 9 b ( k j m 0 1 ) 7 4 9 陶瓷p t l p 连接试验中使用的中间层材料有n i 箔、c u 箔、t i 箔，它们的纯度都 在9 9 9 以上在一次p t l p 连接中，t i 箔厚度采用了2 i t m 、5 i t m 、8 i t m 、1 0 l i m 、 1 5 i tr a 、2 0 l l m ，c u 箔厚度分别为7 0 i t m 、1 3 0 i l m 、2 5 0 i t m ；在二次p t l p 连接中，t i 箔取5 p m 、8 i tm 、1 0 l l m 、1 5 i t m 、2 0 l l m ，c u 箔厚度取1 3 0 i lm 和2 5 0 i t m ，n i 箔