ZrCx陶瓷活性扩散连接工艺及机理研究

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1、博士学位论文ZrCx陶瓷活性扩散连接工艺及机理研究RESEARCHONPROCESSANDMECHANISMSOFACTIVEDIFFUSIONBONDINGOFZrCxCERAMICS潘瑞哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TG456.7学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文ZrCx陶瓷活性扩散连接工艺及机理研究博士研究生：潘瑞导师：何鹏教授副导师：林铁松副教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG456.7U.D.C:62

2、1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONPROCESSANDMECHANISMSOFACTIVEDIFFUSIONBONDINGOFZrCxCERAMICSCandidate：PanRuiSupervisor：Prof.HePengViceSupervisor：ViceProf.LinTiesongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：Schoolof

3、MaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要过渡金属碳化物陶瓷(如ZrCx，TiCx和HfCx等)又被称为间隙碳化物陶瓷，具有高熔点(>3000°C)、高硬度、优异的耐磨、抗腐蚀和导电性能等优点，被广泛应用于高温环境下，如火箭发动机、再入飞行器的尖端前沿部位以及气冷快堆惰性燃料组件中。间隙碳化物陶瓷的高温应用环境使其对连接接头提出了更高的要求，不仅要求接头具有较高的力学性能，也要求接头具有较好

4、的耐热性能。因此，本文针对间隙ZrCx陶瓷对接头耐热性以及残余应力的控制要求，以过渡金属为中间层，利用间隙碳化物陶瓷非化学计量比以及间隙碳化物间彼此互溶的特性，提出了ZrCx陶瓷活性扩散连接的方法。该方法通过形成具有与母材成分相近的均质焊缝，克服了传统陶瓷连接接头应力大、强度低、耐热性能不足的缺点，实现了ZrCx陶瓷的低应力、耐高温和高可靠连接。为了验证以上连接方法的可行性，本文首先以单层Ti为中间层，对不同ZrCx(x=1,0.85,0.7和0.55)陶瓷进行了活性扩散连接，研究了工艺参数以及碳缺位浓度对接头界面组织的影响，分析了界面金属元素扩散的动力学特征，揭示了均质焊缝

5、的形成过程。研究发现，以单层Ti为中间层，在连接含碳缺位较多的ZrC0.7时，在1300C保温1h的条件下，形成了均质焊缝；而在连接含碳缺位较少的ZrC时，即使在1400C保温8h的条件下，也无法形成均质焊缝。对接头界面元素扩散的动力学以及接头界面演变过程的分析结果表明，均质焊缝的形成主要是由于ZrCx母材中碳缺位浓度的增加，促进了界面元素的扩散以及ZrCx与TiCx之间的固溶。为了揭示碳缺位的作用机理，采用第一性原理的方法对ZrCx陶瓷内不同空位组合的扩散激活能以及ZrCx-TiCx的伪二元相图进行了计算，结果表明，(i)碳缺位浓度的增加，降低了VZr-(VC)n(n=

6、1,2,3,…6)空位组合的扩散激活能，从而促进了界面元素在ZrCx陶瓷内的扩散，这是形成均质焊缝的动力学原因；(ii)碳缺位浓度的增加，降低了ZrCx-TiCx伪二元系统的溶解度间隙，从而促进了ZrCx与TiCx之间的固溶，这是形成均质焊缝的热力学原因。此外，对ZrCx接头的室温和高温力学性能的研究表明，均质焊缝的形成显著提高了接头的强度和耐高温性能，其室温和高温三点弯曲强度与母材的强度相近。为了解决以Ti为中间层，含碳缺位较少的ZrCx陶瓷较难形成均质焊缝的问题，本文分别以其它单层过渡金属M(M=Zr,Hf,Nb,Ta)为中间层，对ZrC0.85陶瓷(熔点最高的ZrCx陶

7、瓷)进行了活性扩散连接。研究表明，以不同单层过渡-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文金属为中间层时，随着连接温度和保温时间的增加，接头的组织和成分逐渐均匀化，均可得到均质焊缝，但不同M中间层形成均质焊缝的连接工艺条件以及接头质量有所不同。以Zr为中间层时，可在较低的连接温度下形成均质焊缝，但均质焊缝中易形成Kirkendall孔洞；以Ta和Hf为中间层时，由于界面处生成的碳化物与母材较难固溶，只有在较高的连接温度下(即1600°C和1700°C)才能形成均质焊缝；只有以Nb为中间层，可以在较低的连接温度