ZrO2陶瓷和Ti-6Al-4V钎焊连接机理及接头性能研究

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氧化钇增韧的氧化锆生物医用陶瓷具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损以及良好的生物相容性等性能,但是其断裂韧性、耐冲击载荷和热冲击能力较差。而钛合金具有重量轻、强度高、拉伸性能和韧性好、抗腐蚀性能优越等特点,并且热膨胀系数与氧化锆陶瓷很接近。氧化锆陶瓷和钛合金的钎焊连接构件可以应用于植入式神经微刺激器件的封装,在生物医学领域具有广阔的应用前景。高温活性钎料及界面反应机理的研究是陶瓷与金属钎焊连接领域的发展方向,本文设计并制备了新型Ti-28Ni活性箔带钎料,研究了Ti-28Ni钎料在ZrO2陶瓷上的润湿性,以及真空钎焊工艺对ZrO2陶瓷/Ti-6Al-4V合金接头组织和性能的影响,分析了界面反应和接头形成机理。同时为了降低界面残余应力,使用Ti-28Ni/Cu/Ti-28Ni复合叠层钎料对ZrO2陶瓷和钛合金进行钎焊,研究了Cu箔厚度对接头组织和性能的影响。研究结果如下:(1)1100℃保温30min时Ti-28Ni钎料在ZrO2陶瓷上的最终润湿角为73°。在高温高真空下,活性元素Ti与ZrO2陶瓷中的原子氧反应,在陶瓷表面生成了TiO相,促进了金属钎料在陶瓷表面的润湿。(2)采用Ti-28Ni和Ti-28Ni/Cu/Ti-28Ni两种钎料成功实现了ZrO2陶瓷和Ti-6Al-4V合金的钎焊连接,两种接头界面的典型组织分别为ZrO2/Ti2O/Ni2Ti4O/富Ti相/Ti2Ni+α-Ti和ZrO2/Ti2O/Ti3O/Ti6O/Cu3TiO4/Ti2(Cu,Ni)/富Ti层/Ti2(Cu,Ni)/Ti2Cu+α-Ti/Cu/Ti2Cu+α-Ti/Ti-6Al-4V合金。在陶瓷表面生成的TiXO(x=2、3、6)相、Ni2Ti4O相、Cu3TiO4相,对ZrO2陶瓷和Ti-6Al-4V合金的连接起了重要的作用。(3)使用Ti-28Ni钎料时,钎焊工艺对接头性能具有显著影响。钎焊温度为1060℃,保温10min时,接头的室温剪切强度最高达到112.7MPa。接头呈现明显的脆性断裂特征,随着保温时间和钎焊温度的增加,钎缝中的原子得到了充分的扩散,富Ti层厚度逐渐减小最后消失,钎缝中的Ni2Ti4O层有生长的趋势。(4)使用Ti-28Ni/Cu/Ti-28Ni叠层钎料时,铜箔中间层厚度对接头性能具有显著影响。钎焊温度为1060℃,保温时间15min,Cu箔厚度为80μm时,接头的室温剪切强度最高为130.5MPa,比不添加Cu箔时,接头强度提高了51.9MPa。Cu箔厚度由80μm增加到120μm时,由于Cu与Ti原子具有较强的亲和力,在接头界面中产生了大量的Ti2Cu,削弱了接头强度,Ti2Cu相的产生消耗了钎缝大量的Ti原子,钎缝中的富Ti层宽度逐渐变小。接头断口位置产生在富Ti层和Ti2(Cu,Ni)层,接头呈现明显的脆性解理断裂特征。
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