Ag-Cu-Ti活性钎料与Ti-Zr-Cu非晶钎料钎焊ZrO2/Ti-6Al-4V的研究

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随着建筑工业和高新科技的快速发展,人们越来越关注焊接构件的质量和性能。陶瓷材料与金属材料的成功连接,可以使两种材料的优点发挥到最大。因此,金属材料与陶瓷材料的连接具有广泛的代表性。在众多的连接方法中,钎焊工艺具有独特的优势,广泛应用于金属/陶瓷的连接中。传统钎焊连接所使用的是含有贵重金属的Ag–Cu–Ti钎料,在实际应用中无形的增加了使用成本。为了降低使用成本,人们需要开发出一种新型的钎料以取代贵重的Ag基钎料。近年来,众多学者在利用Ag基钎料钎焊金属/陶瓷的研究中,发现并解释了钎焊过程中存在的种种问题。然而,在某些文献报道中,一些结论性的观点还存在着一定的分歧,没有一个统一的说法。本文采用自制的Ag–Cu–Ti活性钎料和Ti–Zr–Cu非晶钎料对ZrO2/Ti–6Al–4V进行了钎焊连接实验,并针对文献中出现的差异性问题做出了合理的解释,得出的主要结论如下:1. Ag–Cu–Ti/ZrO2体系与Ti–Zr–Cu/ZrO2体系同属于反应性润湿,但润湿行为有很大差异。具体表现为Ag–Cu–Ti/ZrO2体系的铺展主要受界面反应产物控制。钎料合金中的活性元素Ti在ZrO2陶瓷界面处聚集并发生反应,在界面处生成了TiO、Cu3Ti3O和Cu–Ti金属间化合物,具有金属性质的Cu3Ti3O对润湿起促进作用。Ti–Zr–Cu/ZrO2体系界面反应产物同样为TiO、Cu3Ti3O和(Ti, Zr)2Cu,但体系的润湿铺展主要受Ti–Zr–Cu合金性质影响。随着温度的升高,钎料合金熔滴的粘度降低,有利于熔滴的铺展。与此同时,ZrO2基板释放的O也随之增加,加剧了熔滴的氧化,阻碍其铺展。2.在850oC时,钎焊保温时间对ZrO2/Ag–Cu–Ti/Ti–6Al–4V钎焊接头的界面组织影响不大,接头界面结构为ZrO2/TiO/Cu2Ti4O/富Ag相/Cu–Ti相/Ti–6Al–4V合金。保温时间对接头剪切强度变化影响较小,剪切强度主要受反应产物TiO和Cu2Ti4O控制。钎焊温度对界面组织变化影响巨大,当钎焊温度超过900oC时,钎焊接头界面结构转变为ZrO2/TiO/Cu–Ti相/Ti–6Al–4V合金。其中TiO层随温度的增加明显变厚,对钎焊接头强度产生不利影响。钎焊降温速度对界面组织的影响不明显,但接头焊缝处的残余应力增加,在界面处产生了微观缺陷,影响钎焊接头的剪切强度。利用Ag–Cu–4wt.%Ti活性钎料钎焊ZrO2/Ti–6Al–4V,最佳工艺参数为钎焊温度850oC,保温时间10min,降温速度5oC/min,最高剪切强度可达178MPa。3.对于ZrO2/Ti–Zr–Cu/Ti–6Al–4V钎焊接头而言,在900oC时,接头界面结构为ZrO2/(Ti, Zr)2Cu/Cu2Ti4O/TiO/残余钎料相/Cu–Ti相/Ti–6Al–4V合金,随着温度的升高,接头相组成转变为ZrO2/Cu2Ti4O/TiO/Cu–Ti相/Ti–6Al–4V合金。钎焊保温时间与钎焊温度对接头影响主要表现在TiO层的厚度上,接头剪切强度主要受TiO层厚控制。保温时间越长,钎焊温度越高,TiO层越厚,接头的剪切强度越低。降温速度主要影响接头的残余应力,降温速度越快,接头焊缝处的残余应力越大,剪切强度越低。利用Ti–Zr–Cu非晶钎料钎焊ZrO2/Ti–6Al–4V,最佳工艺参数为钎焊温度900oC,保温时间10min,降温速度5oC/min,最高剪切强度可达162MPa。总之,本研究不仅有助于进一步了解传统的Ag–Cu–Ti活性钎料,更为新型钎料的开发提供了有益的信息和积极的指导。
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