Si3N4与316L不锈钢的连接工艺研究

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Si3N4作为一种具有耐高温,耐腐蚀,高强度等良好性能的结构材料,在航天,金属切削,电子等领域有着广泛的应用。但是由于其韧性低,加工困难,在工业应用时常常需要与金属连接起来组成复合装配体来使用。因此实现Si3N4与金属间的可靠连接具有有非常重要的实用意义。本文首先采用了常规(Ag Cu28)Ti3.6钎料对Si3N4与316L不锈钢进行了真空钎焊,研究表明接头的典型组织结构为:Si3N4/Ti N/Ti5Si3+Ag(s,s)+Cu(s,s)+Fe2Ti/316L。钎焊温度和保温时间对接头组织和性能有很大的影响,随着温度的升高或者保温时间的延长,钎焊接头中钎缝与母材间的反应层会逐渐增厚,并且陶瓷侧由于热膨胀系数的差异导致焊后陶瓷近缝处逐渐出现裂纹,接头的抗剪强度呈先增加后降低的趋势。当钎焊温度达890℃,保温10 min时,接头剪切强度最高,为84 MPa。由于Ti含量对钎缝两侧界面层影响较大,因此制备Ti含量分别为1.5,3.6,5.5和7.5 wt%的(Ag Cu28)Tix钎料,并使用该四种钎料分别钎焊Si3N4与316L不锈钢,研究不同Ti含量对接头组织性能的影响。分析表明,随着Ti含量的增加,接头剪切强度呈先增加后降低的趋势,当Ti含量为5.5 wt%时,强度达到最高值为89 Mpa。由于Ti含量的增加,接头中母材反应层厚度逐渐增加,此外当Ti含量达到一定值时,会逐渐生成Ti-Cu化合物。为了缓解接头的残余应力和提升钎缝强度,利用BN可以与Ti反应形成增强相Ti N和Ti B的原理,研究了(Ag Cu28)Ti10BN1.5,(Ag Cu28)Ti15BN2.5和(Ag Cu28)Ti18BN3.5三种钎料对Si3N4与316L不锈钢接头组织及性能的影响。结果表明,接头强度随BN含量的上升逐渐下降,断口表面出现较多孔洞缺陷。当成分为(Ag Cu28)Ti10BN1.5时,强度最高为69MPa。通过优化Ti含量后,制备成分为(Ag Cu28)Ti8BN1.5的钎料钎焊Si3N4与316L不锈钢,接头强度达到145 MPa,比Ag Cu Ti系钎料钎焊Si3N4与316L不锈钢的最高剪切强度提升了约70%,断口表面较为平滑,。为提高钎缝自身强度,在Si3N4表面用磁控溅射法分别溅镀Ti/Nb,Ti/Mo和TiNb/Mo三种薄膜,并采用常规(Ag Cu28)Ti3.6钎料钎焊316L不锈钢。研究表明,三种薄膜获得的接头中Ti/Nb膜形成的接头强度最高,为82 MPa。添加的Nb元素可以溶于钎料中与Ti发生交互作用,Mo元素未能起到抑制Nb元素向钎缝中心处扩散的作用,并且三种接头的断口位置均断裂于陶瓷一侧,接头处仍有较大残余应力。
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