SiC陶瓷与AISI 446不锈钢空气反应钎焊工艺与界面形成机理.pdf

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1、硕士学位论文SiC陶瓷与AISI446不锈钢空气反应钎焊工艺与界面形成机理INVESTIGATIONONTHEPROCESSANDMECHANISMOFMICROSTRUCTUREOFSILICONCARBIDE/446STAINLESSSTEELREACTIVEAIRBRAZINGJOINT王志权哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG454学校代码：10213国际图书分类号：621.791.1密级：公开工程硕士学位论文SiC陶瓷与AISI446不锈钢空气反应钎焊工艺与界面形成机理硕士研究生：王志权导师：冯吉才教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料

2、科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG454U.D.C:621.791.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringINVESGATIONONTHEPROCESSANDMECHANISMOFMICROSTRUCTUREOFSILICONCARBIDE/446STAINLESSSTEELREACTIVEAIRBRAZINGJOINTCandidate：WangZhiquanSupervisor：Prof.FengJicaiAcademicDegreeAppliedf

3、or：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士论文摘要SiC陶瓷作为一种优秀的高温陶瓷材料，机械性能优异，耐高温抗氧化能力很强，线膨胀系数很低且化学性质稳定。由于其本身具有极高的硬度和脆性，难以通过常规机加工手段制备大尺寸、复杂结构工

4、件，限制了其优异性能的发挥。高铬铁素体不锈钢(446)具备较强的抗氧化能力，耐热蚀性良好，塑性和延展性优异，与SiC陶瓷连接后获得的陶瓷/不锈钢复合构件能够综合二者优势，在工业生产中应用潜力巨大。目前常用的连接方法（如扩散连接、活性金属钎焊等）工艺设备复杂，接头不具备抗氧化能力。空气反应钎焊作为一种新型陶瓷连接方法目前主要用于氧化物与钙钛矿类陶瓷的连接，未见非氧化物陶瓷空气反应钎焊特性的任何报道。本课题首次采用空气反应钎焊方法，在高温空气气氛中成功实现非氧化物SiC陶瓷与446不锈钢之间的可靠连接，利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和抗剪强

5、度测试等技术深入分析了接头组织与力学性能演化规律。首先通过高温氧化在SiC陶瓷表面制备一层均匀致密的无定形SiO2，旨在改善Ag基钎料在SiC陶瓷表面的润湿效果。选择Ag-CuO钎料体系空气反应钎焊SiC陶瓷时，发现Ag-CuO钎料在陶瓷表面润湿效果很差，无法形成可靠连接；选用Ag-V2O5钎料体系成功连接了SiC陶瓷，利用SEM/EDS、XRD与透射电子显微镜（TEM）对接头界面及断口形貌、物相组成进行分析。研究了陶瓷氧化时间、钎料成分及钎焊工艺对接头界面组织和室温抗剪强度的影响规律与作用机制。确定最佳工艺参数：钎料成分为Ag-8mol.%V2O5，1050°C/30

6、min。钎焊过程中V2O5将SiC氧化成SiO2，其厚度达到5-8μm，氧化层表面仍保留极薄的无定形C层，Ag与无定形C以某种方式稳定结合，确保了Ag基钎料与陶瓷母材之间的可靠连接。所得钎焊接头界面结构为：SiC/SiO2/无定形C/Ag+VO2+V2O5+VxOy（其他低价钒氧化物）/无定形C/SiO2/SiC。接头最高室温抗剪强度为35MPa。利用Ag-V2O5钎料体系成功空气反应钎焊了SiC陶瓷与446不锈钢。对接头的界面组织进行分析，在此基础上探究了钎料成分与钎焊工艺对接头界面组织与室温抗剪强度的影响规律。确定最优工艺参数为：Ag-8mol.%V2O5，1000

7、°C/30min。此时接头最高室温抗剪强度为18MPa。钎焊连接过程中，V2O5与SiC反应生成SiO2和其他低价钒氧化物（如VO2等）。钎缝以Ag+VO2为基体，其余低价钒氧化物（如V2O3等）一部分聚集在不锈钢表面，与其他金属氧化物复合生成(Fe,Cr,V)2O3尖晶-I-哈尔滨工业大学工程硕士论文石相，一定程度上避免了不锈钢的过度氧化；另一部分聚集在陶瓷表面的氧化层附近，呈连续分布状态，这是因为氧化物之间的表面能更低。陶瓷/不锈钢钎焊接头界面结构为：446SS/(Fe,Cr,V)2O3/Ag+VO2/无定形C/SiO2/SiC。由于