陶瓷組裝部件先進(jìn)釬焊技術(shù)課件

1、先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining陶瓷組裝部件的先進(jìn)釬焊技術(shù) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining1. 簡介陶瓷應(yīng)用：切削刀具、耐磨部件、電子設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換和能源生產(chǎn)系統(tǒng)部件、傳感器，以及生物材料在應(yīng)用過程中所有這些零件需要與其他部件或構(gòu)件連接到一起形成一個(gè)整體，而實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)則需要依靠合適的連接方法。陶瓷連接方法：機(jī)械連接技術(shù)、預(yù)陶瓷化的高分子連接、軟釬焊/硬釬焊、擴(kuò)散焊，以及玻璃-金屬密封方法。也有其他具有特定用途的方法，如摩

2、擦焊、微波連接、超聲波焊接和粘接陶瓷連接方法的選擇：通常根據(jù)母材的特性，接頭的需求（服役溫度、強(qiáng)度、腐蝕等）、實(shí)施的簡易程度，以及功能性來選擇合適的方法。釬焊：可以對復(fù)雜形狀的幾何體進(jìn)行低成本、大規(guī)模的連接，并且可以定制以實(shí)現(xiàn)部件的批量生產(chǎn)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining應(yīng)用連接部件1：陶瓷連接部件2：金屬或陶瓷實(shí)例汽車部件Si3N4，Al2O3，ZrO2Kovar，Mo，鋼，Si3N4，Al2O3，ZrO2渦輪增壓器高科技結(jié)構(gòu)陶瓷B4C，SiCTi，Cu. Ni合金，金屬基復(fù)合材料（Al，Ti基MMC）軍用

3、裝甲磨具金剛石，cBN，Si3N4TiN WC TiCN，TiC，TiN鋼，TiCN，TiC，TiN磨具，鉆具，鋸，切削刀具耐高溫接頭SiC，Si3N4高溫合金（Incoloy），C/C復(fù)合材料燃?xì)廨啓C(jī)部件：導(dǎo)氣噴嘴；熱核反應(yīng)堆（ITER）：與等離子接觸的部件生物醫(yī)學(xué)Al2O3，ZrO2 YSZTi合金假肢，其中密封對于可植入醫(yī)療裝置十分重要真空密封Al2O3Ti合金，鋼，Cu-Au-Ni-TiToF質(zhì)譜儀種子發(fā)生器電力電子應(yīng)用AlNCu大功率高頻導(dǎo)體電子封裝/微電子AlN，BeOCu，Si（晶片）散熱電子部件：激光二極管，基底多芯片，多芯片組件封裝微通道應(yīng)用，應(yīng)變儀，向下LWDAl2O3Ko

4、var（Fe，Ni）Ti合金，Inconel和hastelloy合金微機(jī)電系統(tǒng)Si3N4具有Ti-Cu，Ti-Ni及Ti-Cu-Ni多層薄復(fù)合層的Inconel 718 能源YSZ鋼固體氧化物燃料電池釬焊技術(shù)在陶瓷設(shè)備和部件中的應(yīng)用先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining2. 潤濕性、殘余應(yīng)力和接頭可靠性潤濕不良潤濕良好釬料與陶瓷的潤濕性：陶瓷釬焊依賴于填充金屬或合金對陶瓷表面潤濕的能力，而這種潤濕能力常常被陶瓷自身的共價(jià)鍵合和低表面能所抑制。改善釬料與陶瓷的潤濕性的方式：(1)陶瓷表面改性或(2)釬料自身改性陶瓷表

5、面改性：表面處理包括金屬化（例如電子和電氣工業(yè)中廣泛采用的鉬-錳法），金屬鍍層，以及金屬氫化物處理；釬料改性：而對釬料的改性通常采用活性金屬釬焊法。鎳、銀、銅和鉻的鍍層被用于提高陶瓷表面潤濕性，而sodium process或Ti涂層則用于改善Al2O3與液態(tài)金屬的潤濕性。先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining線膨脹系數(shù)通過添加顆粒來改變釬料的物理特性2. 潤濕性、殘余應(yīng)力和接頭可靠性活性釬焊法（一步法）：其定義為在釬焊過程中使用含有活性元素的釬料，活性元素通過形成中間反應(yīng)層改變陶瓷表面化學(xué)性質(zhì)，從而降低了熔融釬料

6、在陶瓷表面的潤濕角。常用的活性元素包括Ti、Zr、Hf、V和Al。殘余應(yīng)力的緩解：使用中間層（韌性金屬層或與待連接的陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的中間層）（多種加工步驟），或者使用先進(jìn)的復(fù)合釬料（一步式）。復(fù)合釬料法的優(yōu)勢：對大間隙釬焊有明顯的優(yōu)勢。復(fù)合釬料的理念可以改善接頭的可靠性，提高較高溫度下的強(qiáng)度，從而提高接頭的服役溫度。先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接頭設(shè)計(jì)活性元素控制潤濕行為，影響接頭強(qiáng)度先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Join

7、ing3. 接頭設(shè)計(jì)對比了Incusil 15（Ag61.5Cu23.5In15）和Incusil-ABA（Ag59Cu27In12Ti1.25）的應(yīng)力-應(yīng)變特征活性元素顯著改變釬料的熱力性能，對緩解接頭應(yīng)力的水平產(chǎn)生影響釬料中Ti含量過高的負(fù)面影響，導(dǎo)致（a）與鋼作為母材的接頭中形成脆性Laves相（Fe2Ti）；（b）向Si3N4-TiN中擴(kuò)散先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接頭設(shè)計(jì)顆粒增強(qiáng)釬料的有限元模型很好地描述了真實(shí)結(jié)構(gòu)（左：SiC增強(qiáng)的釬料的SEM圖像；右：真實(shí)結(jié)構(gòu)的有限元展示）理論與試驗(yàn)相

8、結(jié)合，對于簡單的部件形狀和初步接頭設(shè)計(jì)，可以使用解析法。對于部件或接頭很復(fù)雜，對其行為的模擬需要數(shù)值方法，如有限元分析。先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接頭設(shè)計(jì)不同條件下釬焊的金屬-陶瓷接頭的斷裂。（a）由于高殘余應(yīng)力導(dǎo)致的彎曲裂紋；（b）陶瓷中的直裂紋（由于材料缺陷而導(dǎo)致沿陶瓷開裂）先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining3. 接頭設(shè)計(jì)通過兩步法釬焊的Si3N4-TiN/鋼接頭的SEM圖像（陶瓷金屬化：CuSnTiZr（79

9、5oC），預(yù)金屬化的陶瓷與鋼的釬焊：Incusil 15（605-725oC）先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining4. 陶瓷基復(fù)合材料的連接母材E(GPa)(室溫-600)(10-6/K)強(qiáng)度(MPa)14 NiCr 14鋼210 14.1 600 (抗拉) Mo325 5.1 620 (抗拉) Haynes 230超合金211 16.5860 (抗拉)Ni-22Cr-14W-5Co-3Fe-2MoSi3N4-TiN 70/30330 3.8 785 (51) (抗彎) Duran硅硼酸鹽玻璃/SiCf200 3

10、 2750 (抗拉) Duran硅硼酸鹽玻璃63 3.25 60 (抗拉) 莫來石-莫來石（Vf=11%）234 6.8475 (抗彎)釬料成分(wt%)液化溫度()CB6Ag 98.4, In 1, Ti 0.6 948-959 CuSnTiZrCu 74.5, Sn 14, Ti 10, Zr 1.5 795 Cusil-ABA Ag 63, Cu 65.25, Ti 1.75 780-815 Incusil-ABA Ag 59, Cu 27.25, In 12.5, Ti 1.25 605-715 Incusil 15Ag 61.5, Cu 23.5, In 15 605-725 復(fù)合材

11、料連接的特點(diǎn)：解決復(fù)合材料不同組分（例如纖維和基體）之間潤濕性和反應(yīng)性的不同、連接過程與復(fù)合材料制造技術(shù)的兼容性，如纖維的排列方向等先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and JoiningSi3N4-TiN（30 wt%）與鋼的連接（=1110-6/K）釬料陶瓷/陶瓷接頭金屬/陶瓷接頭釬焊溫度()加工步數(shù)室溫抗彎強(qiáng)度平均值（最小-最大）測試溫度()抗彎強(qiáng)度(MPa)CB6299 (241 338) 室溫361 (275 430)1010 1350457 (425 497)400375 (290 423)450423 (347 479

12、)500326 (295 267)600219 (166 253)CuSnTiZr333 (286 370)室溫105 (92 113)9501Cusil - ABA室溫228 (142 336)8001Incusil - ABA 413 (378 442)室溫329 (259 387)7401200431 (423 439)250485 (456 509)300476 (404 485)350454 (408 478)400256 (182 323)CuSnTiZr/Incusil 15320 (260 360)室溫398 (362 438)7402CuSnTiZr/Incusil - AB

13、A413 (442 378)室溫315 (428 227)7402CuSnTiZr/Cu中間層室溫354 (304 406)9502Incusil ABA+10% SiCp425 (394 465) 室溫284 (201 349)7501250523 (505 556)300475 (463 485)350414 (404 428)400308 (301 320)Incusil ABA+20% SiCp室溫195 (179 212)7501Incusil ABA+30% SiCp室溫39 (28 52)7501Incusil ABA+30% SiCp室溫403 (342 440)7501250

14、459 (489 422)300505 (572 403)350387 (485 288)400291 (324 242)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining采用不同商用活性釬料和復(fù)合釬料釬焊連接Si3N4-TiN/鋼接頭的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度鈦含量的影響Si3N4-TiN（30 wt%）與鋼的連接（=1110-6/K）先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and Joining采用有限元法模擬釬焊間隙寬度對緩解殘余應(yīng)力的影響，Si3N4-TiN/鋼接頭采用(a) Incusil-ABA 釬料(b) 顆粒增強(qiáng)的Incusil-ABA 釬料(三明治布局) 的Si3N4-TiN/鋼接頭間隙寬度的影響Si3N4-TiN（30 wt%）與鋼的連接（=1110-6/K）先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室State Key Lab of Advanced Welding and JoiningSi3N4-TiN/鋼接頭不同的殘余應(yīng)力緩解方法和得到的強(qiáng)度值中間層或恰當(dāng)?shù)拟F料體系Si3N4-TiN（30 wt%）與鋼的連接（=1110-6/K）先進(jìn)