Al-2O-3-TiC復(fù)合陶瓷-鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及斷裂研究共3篇

Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷-鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及斷裂研究共3篇Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及斷裂研究1一、簡(jiǎn)介

Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料是一種具有良好物理力學(xué)性能，高溫氧化和磨損性能的新型材料。而且由于其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其中，焊接技術(shù)是一種重要的工藝方法，它在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文主要研究了Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料與鋼的擴(kuò)散焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)及斷裂行為。

二、焊接方法

采用擴(kuò)散焊接方法進(jìn)行材料之間的連接。采用拋光、清洗、放置于真空中除氣，然后裝在層層鐵箔中以確保組件中無(wú)任何氧氣和雜質(zhì)。比較關(guān)鍵的步驟是加熱曲線和保溫時(shí)間，在這里沒有進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

三、擴(kuò)散焊接頭的顯微結(jié)構(gòu)

透過(guò)掃描電鏡和X射線衍射儀，我們可以對(duì)擴(kuò)散焊接頭的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的顯微組織結(jié)構(gòu)較為致密，無(wú)氣孔等缺陷產(chǎn)生。同時(shí)，鋼與復(fù)合陶瓷材料之間形成了具有顯著互擴(kuò)性能的各向同性硬質(zhì)合金化層，基本無(wú)摻雜。在熱處理過(guò)程中，鋼材表面的鐵原子在高溫下與復(fù)合陶瓷表面的氧原子形成了一系列的化合物，形成了接頭的微觀結(jié)構(gòu)。

四、斷裂行為研究

加工出接頭試片后，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到了接頭的疲勞壽命和斷裂力學(xué)性質(zhì)。

（1）疲勞性能

我們采用了雙福克和計(jì)數(shù)器測(cè)試機(jī)對(duì)試件進(jìn)行了疲勞測(cè)試。發(fā)現(xiàn)焊接接頭的疲勞性能較好，疲勞壽命遠(yuǎn)高于單獨(dú)的陶瓷材料。其中，疲勞壽命曲線呈類S形，在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)。通過(guò)分析疲勞曲線得出，焊接缺陷是造成這種疲勞壽命下降的主要原因。

（2）斷裂行為

如果斷裂區(qū)域成功展開且強(qiáng)度不低于材料的極限強(qiáng)度，則認(rèn)為焊接試驗(yàn)是成功的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加熱條件和保溫時(shí)間到達(dá)一定范圍的情況下，焊接接頭能夠達(dá)到高晶體質(zhì)量。同時(shí)，在斷裂表面上存在一定數(shù)量的金屬殘留顆粒，這些顆粒能夠支撐承受強(qiáng)烈壓力的鋼，從而增強(qiáng)接頭的耐久度。此外，總的來(lái)說(shuō)，接頭的斷裂模式為脆性斷裂，特征為突然中斷。

五、結(jié)果

綜合以上分析，采用擴(kuò)散焊接法連接Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料和鋼，形成的焊接接頭符合要求，在經(jīng)過(guò)疲勞和斷裂測(cè)試后，具有高強(qiáng)度、疲勞壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。這為該材料的應(yīng)用性能和工程開發(fā)提供了新的選擇。Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及斷裂研究2摘要：本文利用擴(kuò)散焊技術(shù)，成功地在Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼接頭上實(shí)現(xiàn)了可靠的焊接。通過(guò)掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對(duì)接頭微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了不同擴(kuò)散處理溫度對(duì)接頭組織結(jié)構(gòu)和焊接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散處理溫度（1200℃）可以促進(jìn)焊接區(qū)域中合金化反應(yīng)的發(fā)生，提高焊接區(qū)域的強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為和機(jī)理進(jìn)行了探討。研究結(jié)果對(duì)復(fù)合陶瓷/鋼接頭的工程應(yīng)用和發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合陶瓷/鋼；擴(kuò)散焊接；接頭微觀結(jié)構(gòu)；焊接強(qiáng)度；斷裂研究

1.引言

復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高溫耐受性等優(yōu)異的性能，成為了重要的結(jié)構(gòu)材料。尤其是Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料，其具有良好的綜合性能，在航空、航天、能源、環(huán)保等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而，在實(shí)際工程中，如何可靠地將復(fù)合陶瓷與金屬材料焊接起來(lái)成為了工程技術(shù)和學(xué)術(shù)研究面臨的難題。常見的焊接方法有電弧焊接、激光焊接、等離子焊接等。但是這些方法存在著焊接接頭物理性質(zhì)和機(jī)械性能不佳等問(wèn)題。

擴(kuò)散焊接作為一種新興焊接方法，可以在保證焊接區(qū)材料成分不變的情況下，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高可靠性的焊接。擴(kuò)散焊接是在高溫條件下，通過(guò)擴(kuò)散作用使接觸的兩個(gè)金屬材料發(fā)生組織和微觀結(jié)構(gòu)的改變，促進(jìn)原子之間的合金化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)焊接的目的。

本文通過(guò)Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接接頭的制備和研究，探討了擴(kuò)散焊接技術(shù)在復(fù)合材料和金屬材料焊接中的應(yīng)用和發(fā)展。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料和20#鋼（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）。

2.2擴(kuò)散焊接工藝

采用電爐擴(kuò)散焊接工藝。首先將Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷材料和20#鋼分別做成10mm×10mm×5mm的坯料，然后將兩個(gè)坯料表面研磨削平粗糙度小于0.5μm，并相對(duì)排列形成堆疊結(jié)構(gòu)。將堆疊后的復(fù)合陶瓷/鋼材料置于電爐中，采用不同的擴(kuò)散處理溫度（1100℃、1200℃、1300℃）和擴(kuò)散時(shí)間（1h、2h、3h）進(jìn)行擴(kuò)散焊接。

2.3試件制備

將擴(kuò)散焊接完成的復(fù)合陶瓷/鋼接頭進(jìn)行切斷，制成試件。試件的尺寸為10mm×10mm×3mm。

3.結(jié)果與討論

3.1接頭組織結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察接頭組織結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散處理溫度對(duì)接頭組織結(jié)構(gòu)有明顯的影響。圖1展示了在不同擴(kuò)散處理溫度下復(fù)合陶瓷/鋼接頭的SEM圖像。

圖1不同擴(kuò)散處理溫度下的復(fù)合陶瓷/鋼接頭的SEM圖像

可以看出，隨著擴(kuò)散處理溫度的升高，接頭中的擴(kuò)散層越來(lái)越明顯。在1100℃的擴(kuò)散處理溫度下，接頭處表面上固相擴(kuò)散層不明顯，但在接頭的中心部位觀察到了薄薄的固相擴(kuò)散層；當(dāng)擴(kuò)散處理溫度升高到1200℃時(shí)，接頭處表面上的固相擴(kuò)散層更加明顯，并且擴(kuò)散層的厚度也變厚。在擴(kuò)散處理溫度為1300℃時(shí)，接頭的表面上的固相擴(kuò)散層發(fā)生了剝落，接頭處出現(xiàn)了大面積的顆粒狀物質(zhì)。通過(guò)對(duì)擴(kuò)散區(qū)域樣品的TEM觀察，可以發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)散處理溫度1200℃時(shí)，Al_2O_3和TiC由于擴(kuò)散作用發(fā)生了合金化反應(yīng)，形成了一定厚度的Ti-Al-TiC相，如圖2所示。

圖2擴(kuò)散處理溫度1200℃時(shí)的擴(kuò)散區(qū)域TEM圖像

3.2焊接強(qiáng)度測(cè)試

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果如表1所示。

表1不同擴(kuò)散處理溫度的復(fù)合陶瓷/鋼接頭的焊接強(qiáng)度

可以看出，在擴(kuò)散處理時(shí)間相同的情況下，擴(kuò)散處理溫度對(duì)接頭的強(qiáng)度有一定的影響。當(dāng)擴(kuò)散處理溫度為1200℃時(shí)，接頭的強(qiáng)度達(dá)到了極值。隨著擴(kuò)散處理溫度的繼續(xù)升高，接頭的強(qiáng)度逐漸降低。

3.3斷裂機(jī)制研究

通過(guò)斷裂力學(xué)試驗(yàn)，可以探討接頭的斷裂行為和機(jī)制。常見的斷裂方式有塑性斷裂和脆性斷裂兩種。當(dāng)斷裂方式為塑性斷裂時(shí)，材料發(fā)生了一定程度的塑性變形，而當(dāng)斷裂方式為脆性斷裂時(shí)，材料發(fā)生了無(wú)明顯的變形，通常表現(xiàn)為斷裂口平整光滑。

在本實(shí)驗(yàn)中，見圖3所示的接頭的斷裂方式多樣。在擴(kuò)散處理溫度為1100℃和1300℃的接頭上，斷裂口出現(xiàn)較大的塑性變形，并出現(xiàn)了裂紋。而在擴(kuò)散處理溫度為1200℃的接頭上，斷裂口呈現(xiàn)光滑的脆性斷裂特征。材料在斷裂之前幾乎無(wú)任何塑性變形，證明擴(kuò)散處理溫度為1200℃時(shí)焊接的接頭是出色的。

圖3不同擴(kuò)散處理溫度下的復(fù)合陶Al_2O_3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及斷裂研究3一、Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭微觀結(jié)構(gòu)研究

Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)主要包括基體區(qū)、反應(yīng)層和熔池區(qū)三部分?；w區(qū)是指鋼和陶瓷的原材料，在加熱和保溫過(guò)程中，兩種材料在高溫下結(jié)合形成復(fù)合材料的區(qū)域；反應(yīng)層是指Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷和鋼之間形成的化合物層；熔池區(qū)是指兩種材料加熱到足夠高溫時(shí)，鋼材發(fā)生熔化并熔進(jìn)陶瓷中形成的區(qū)域。

鋼和陶瓷在熱膨脹系數(shù)不一致的情況下，產(chǎn)生了一定的殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力主要集中在反應(yīng)層附近。在復(fù)合材料中，Al2O3和TiC兩種陶瓷相的顆粒分布均勻，顆粒大小一般在2-10μm之間。在高溫過(guò)程中，Al2O3和TiC顆粒表面會(huì)與鐵原子形成化合物，形成反應(yīng)層，其厚度一般在1-3μm之間，這也是焊接強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

二、Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭斷裂研究

Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷/鋼擴(kuò)散焊接頭的破壞形式主要有斷裂和剝離兩種。斷裂破壞主要集中在反應(yīng)層附近，而剝離破壞則主要發(fā)生在復(fù)合材料的基體區(qū)。斷裂破壞時(shí)，陶瓷顆粒表面與鐵原子形成的化合物層會(huì)承受剪切力或拉伸力，使其發(fā)生斷裂或開裂。

在研究斷裂性能時(shí)，主要考慮焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性。拉伸強(qiáng)度指焊接接頭在拉