交流和脉冲电场作用下SiC与Ti的扩散连接及其机理

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1、国内图书分类号：TG457.19学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学硕士学位论文交流和脉冲电场作用下SiC与Ti的扩散连接及其机理硕士研究生：宫金鑫导师：孙东立教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG457.19U.D.C:621.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONPROCESSANDMECHANISMOFDIFFUSIONBONDINGBETWEENSICANDTIUNDERAL

2、TERNATINGELECTRICFIELDANDPULSEDELECTRICFIELDCandidate：GongJinxinSupervisor：Prof.SunDongliAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨

3、工业大学工学硕士学位论文摘要SiC陶瓷具有耐高温、抗腐蚀、抗氧化性强等优越性能，利用连接方法制备陶瓷/金属复合结构件，能够将陶瓷与金属的优异性能充分运用，对拓宽陶瓷材料的应用范围具有特别重要的意义。本文采用扩散连接方法制备SiC/Ti复合构件，并针对扩散连接的连接效率低、连接工艺条件苛刻等缺点，在扩散连接过程中施加交流电场和脉冲电场，以优化SiC/Ti扩散连接工艺，降低扩散连接温度，改善接头质量。同时，利用SEM、TEM、XRD等方法研究交流电场和脉冲电场对SiC/Ti扩散连接界面反应的影响规律和连接机理。交流电压对SiC/Ti接头显微组织和力学性能有很大影响，交流电压值与连接温

4、度，两者共同作用影响反应层的厚度，而反应层厚度对接头剪切性能影响存在最佳值。最佳工艺参数为950℃/7.5MPa/1.5h/交流电压值400V，此时接头剪切强度可达72.5MPa，比无电压扩散连接接头强度提高59%，说明施加交流电压可以有效提高接头质量。电压的方向对界面连接情况有较大影响，负电压抑制元素扩散，反应层厚度降低，导致基体之间结合强度降低；正电压促进元素扩散，接头质量较好。但交流电压叠加较大静电压时，反应层变厚，反应层内生成大量脆性化合物对接头性能不利。采用正交试验获得脉冲电场作用下各参数对接头性能影响按脉冲幅度、占空比、频率依次增大，且各脉冲参数存在交互作用。最佳脉冲

5、工艺参数为脉冲幅度为400V，占空比为50%，频率为500Hz，在此脉冲电场作用下，经950℃/7.5MPa/1.5h扩散连接接头的剪切强度达到78.9MPa。对SiC/Ti界面微观组织结构进行分析发现，界面反应生成相主要为TiC与Ti5Si3，接头界面反应的相组成结构从SiC到Ti为：SiC/细晶区/(TiC+Ti5Si3)/TiC/Ti。SiC/Ti扩散连接接头的断裂属于脆性解理断裂，整个断面的裂纹扩展路径为：裂纹首先萌生在连接界面最薄弱的地方，接着在双相区与SiC中反复扩展，直至接头被破坏。SiC与Ti形成可靠性连接的重要阶段在于固相扩散反应，即发生了反应扩散。与未施加电场

6、的情况下相比，施加电场后反应层各区的厚度均增加，电场提高了反应扩散的速率常数，即在相同时间内，施加电场后反应层更厚。通过热力学分析，生成TiC和Ti5Si3的化学反应自由能远远小于0，因此该反应在选θ用的试验条件下能够自发进行。由反应的平衡常数K值可以看出，当反应达到-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文平衡时，生成物的浓度很高，即反应进行的比较完全。关键词：SiC/Ti扩散连接；脉冲电场；交流电场；界面结构；剪切强度-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSiCceramichasalotofsuperiorpropertiessuchashightemperatu

7、re,oxidation,corrosionresistance.Manufacturingceramic/metalcompositecomponentscangivefullplaytotheirexcellentpropertiesandhavegreatsignificancetowidentheapplicationrangeofceramicmaterial.Inthispaper,inordertoimprovetheefficiencyandreduceconne