反应烧结siccosi体系的润湿性及界面反应

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1、七、注射成型及其它反应烧结SiC／Co—Si体系的润湿性及界面反应李树杰1王川宝1宋曼键1贺跃辉2付春娟1(1．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191；2．中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)摘要采用座滴法研究了反应烧结(aa)SiC／Co—Si体系在真空中的润湿性及界面反应，与RBSiC／纯co体系进行对比，研究了Si含量和实验温度对润湿角的影响。结果表明元素si对RBSiC／Co—Si体系的润湿性有显著影响，当Si含量为6．7wt％和60wt％时，体系的最终润湿角都低于RBSiC／

2、纯co体系。RBSiC／Co—Si体系的润湿过程属于反应性润湿。随着温度升高，润湿角明显减小。微观结构研究扣XRD相分析表明，砖于RBSiC／Co一3Si体系(Co一3Si表示钎料中的Si含量为3wt％)，界面区域发生了化学反应，反应产物为CoSi和碳，同时发生了元素的互扩散。形成了反应中间层；对于RBSiC／Co一60Si体系，界面反应产物只有CoSi2，界面区域没有存留碳。界面反应改变了体系的界面结构，从而改善了体系的润湿性。关键词润湿性；界面反应；SiC／Co—Si体系1前言润湿性是金属能否与陶瓷良好复合的

3、重要条件，直接影响到两者之间的粘着功和界面结合强度⋯，Moorhead和Keating指出当金属和陶瓷的接触角小于70。时才能形成良好的复合结构【2】。润湿性的研究对陶瓷基复合材料、金属基复合材料、硬质合金和涂层材料的开发和生产，金属与陶瓷的钎焊，陶瓷与陶瓷的钎焊以及冶金过程中金属与炉渣的分离等方面有着重要意义。活性金属钎焊是常用的陶瓷连接方法，对于扩大陶瓷材料的应用范围，起着十分重要的作用。目前钎焊陶瓷常采用Ag—cu—Ti系列活性钎料，但是其8600C左右的熔点决定了钎焊后的接头工作温度不能超过500。C，严

4、重制约了结构陶瓷抗高温性能的发挥。因此，材料工业的发展需要不断地研究开发新的活性钎料体系，以期获得更好的接头高温性能。碳化硅陶瓷具有良好的高温力学性能、热物理性能和化学稳定性，是重要的高温结构材料，在工业中得到了广泛应用。特别是由碳纤维或碳化硅纤维增强的以碳化硅为基体的复合材料在航空、航天、核能等高科技领域具有广阔的应用前景。钴合金的工作温度比较高，在900℃的高温下仍然具有很高的强度日J。因此，在满足与陶瓷具有良好润湿性的前提下，钴基高温钎料有可能显著提高陶瓷接头的工作温度。文献[4]和文献[5]报导，SiC／

5、纯co体系的润湿角小于90。且体系发生了化学反应。另据文献[6]报导，SiC／纯Co体系的润湿角随温度升高而明显地减小，由初始润湿角63。减至最终润湿角180，界面反应产物为CoSi和C。适当且适度的界面反应对于促进界面键合是有益的，然而接头强度受到反应产物的性质和数量的显著影响，因而控制反应产物的种类和反应进行的程度十分必要。如果在纯Co中加入适量的Si，一方面可以与SiC／纯co体系界面反应产物c发生反应生成SiC，以减少或消除低强度的C，另一方面Si能够起到稀释金属相的作用，在一定程度上抑制界面反应。文献[

6、7]报导在SiC／Ni体系中加入Si就起到了抑制界面反应的作用。另外，据文献[8]报导，SiC／Si体系的润湿性良好，在1430℃的润湿角为36．54-20。因此，在纯Co中加入适量的Si应该不会对体系的润湿性产生明显的负面影响。基于上述考虑，本文研究反应烧结(RB)SiC／Co—Si体系的润湿性和界面反应。2009全国粉末冶金学术会议2实验实验采用的陶瓷基体材料是反应烧结碳化硅(RBSiC)，其中含有8wt％一12wt％的游离硅，基体材料加工成尺寸为15mm×12mm×9mm的长方体试样，对工作面研磨抛光，并在

7、超声波中用酒精清洗20min，烘干。本实验中所采用的Co粉纯度为99．9wt％，粒度为一300目，Si粉纯度为99．9wt％，粒度为一300目。将两种粉末按不同比例在酒精中湿混均匀后干燥，从配好的钎料粉体中称取150mg，装入钢模中，使用压片机，将其压制成5mm×3．6ram×lmm的压坯，施加的压力约为1000MPa，将压成的坯体置于基体上。将试样放入CXZ-20高温界面性能仪的炉管中，当真空度达到2×10以Pa时，开始加热，实验一直在真空中进行，采用高温照相技术记录润湿过程。研究了si含量和实验温度对体系润湿

8、性的影响，并利用扫描电镜(SEM)、能谱定量分析(EDS)以及x射线衍射(XRD)对微观结构和界面反应进行了研究。3结果及讨论3．1si含量对RBSiC／Co—si体系润湿性的影响钎料中的si含量对RBSiC／Co—si体系的润湿性的影响的实验结果如表1所示。该表显示，在钎料Co中分别添加3wt％、6．7wt％和60wt％的Si(所组成的钎料分别用Co一3Si、Co一6．