表面结构调控辅助钎焊SiO2-BN陶瓷与TC4钛合金工艺研究.pdf

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1、硕士学位论文表面结构调控辅助钎焊SiO2-BN陶瓷与TC4钛合金工艺研究TECHNOLOGYOFBRAZINGSiO2-BNCERAMICANDTC4ALLOYREINFORCEDBYSURFACEMODIFICATION霸金哈尔滨工业大学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：公开工学硕士学位论文表面结构调控辅助钎焊SiO2-BN陶瓷与TC4合金工艺研究硕士研究生：霸金导师：冯吉才教授申请学位：工学硕士学科：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6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:TG454U.D.C:621.791.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTECHNOLOGYOFBRAZINGSiO2-BNCERAMICANDTC4ALLOYREINFORCEDBYSURFACEMODIFICATIONCandidate：BaJinSupervisor：Prof.FengJicaiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMate

3、rialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要氮化硼增强二氧化硅基陶瓷（SiO2-BN）是一种先进的复相陶瓷材料，在保持良好透波性能的同时，具有比单一成分陶瓷更高的力学性能与抗高温烧蚀性能，满足航空航天领域超高速飞行器对陶瓷材料更为苛刻的要求。在实际应用中，SiO2-BN陶瓷常作为功能构件与TC4合金基体进行钎焊连接使用。然而，SiO2-BN陶瓷与TC4合金的钎焊连接存在界面反应不充

4、分，钎焊过程中TC4合金中Ti元素过量溶解导致的脆性相过多以及接头残余应力大等难题，限制了SiO2-BN陶瓷性能的发挥与应用。因此，本课题采用陶瓷表面状态调控、表面原位生长碳纳米管（CNTs）以及CNTs增强泡沫镍复合中间层辅助钎焊连接对上述问题进行解决，实现了SiO2-BN陶瓷与TC4合金的高质量连接。基于BN在氢氟酸中可以稳定存在的原理，通过氢氟酸对SiO2-BN陶瓷表面状态进行调控，提高表面BN含量增强陶瓷与钎料的界面反应。BN颗粒数量的增加会加大生成TiB晶须的含量，在反应层原位合成的TiB晶须可以大大增强界面结合力以及反应层的强度。研究表明，在一定腐蚀时间内，随腐蚀时间

5、增长BN颗粒含量增加，在腐蚀时间为5min时，BN颗粒含量达到最大，SiO2基体被腐蚀出孔洞，钎料渗入陶瓷内部形成钉扎，此时所形成的TiB晶须长度达30μm，基本覆盖整个陶瓷表面，接头强度提高到29.6MPa。为解决焊缝中脆性化合物过于连续的问题，通过在陶瓷表面原位合成CNTs的方法，利用CNTs与活性钎料良好的润湿性，改善钎料在陶瓷表面的铺展情况，并引导钎料与SiO2基体进行更为紧密的结合，增强陶瓷界面反应，强化反应层强度，消除未焊合缺陷。脱落进入钎料中的部分CNTs可以细化陶瓷侧相的尺度，并对陶瓷侧强度与应力进行调控。当SiO2-BN陶瓷表面CNTs沉积时间为15min时，陶

6、瓷侧连续相细化程度最为均匀，接头最优强度为35.3MPa。基于CNTs可有效降低金属基体热膨胀系数的原理，采用CNTs增强泡沫镍中间层辅助钎焊SiO2-BN陶瓷与TC4合金，对残余应力进行缓解。泡沫镍可以有效消耗过度溶解的Ti元素，并且三维网络状结构可以防止连续脆性化合物层的形成，但接头中Ti2Ni相仍较为连续。通过利用CNTs对泡沫镍的强化作用，泡沫镍可以均匀分布于焊缝之中，破坏接头相成分的连续性，接头由细小均匀的相组成。并且CNTs较低的热膨胀系数将大幅降低钎料与陶瓷的热错配，有效缓解接头残余应力，接头强度最大可达49.7MPa。当CNTs增强泡沫镍中间层与CNTs优化陶瓷的

7、方法配合使用，对整个焊缝界面的调节作用更好，接头强度提高到67.2MPa。通过研究CNTs与Ti元素的界面行为，发现CNTs在钎-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文焊温度下与Ti不反应，可以稳定存在于焊缝之中。关键词：碳纳米管；泡沫镍；SiO2-BN；TC4；TiZrNiCu-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractBoronnitridereinforcedsilica-basedceramic(SiO2-BN)isanadvancedmulti-phasecera