复合钎料层连接多孔Si3N4陶瓷_Invar合金接头的组织及性能研究.pdf

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1、博士学位论文复合钎料层连接多孔Si3N4陶瓷/Invar合金接头的组织及性能研究RESEARCHONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESINPOROUSSi3N4CERAMIC/InvarALLOYJOINTBRAZEDWITHCOMPOSITEFILLER刘佳音哈尔滨工业大学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密级：公开工学博士学位论文复合钎料层连接多孔Si3N4陶瓷/Invar合金接头的组织及性能研究博士研究生：刘佳音导师：张杰教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：材料科

2、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:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESINPOROUSSi3N4CERAMIC/InvarALLOYJOINTBRAZEDWITHCOMPOSITEFILLERCandidate：LiuJiayinSupervisor：Prof.ZhangJieAcademicDegreeAppliedfor:Do

3、ctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要多孔Si3N4陶瓷密度较低，具有良好的介电性能和一定的承载能力，是导弹天线罩的理想材料。由于陶瓷材料本身加工性能较差，难以直接进行装配，需要先与Invar合金连接环连接。由于陶瓷与金属之间物理和

4、机械性能具有较大差异，因此在焊后冷却中将会在界面附近产生较大的残余应力，多孔Si3N4陶瓷本身强度较低，残余应力将会对其产生明显影响。本课题在Ag-Cu-Ti经典钎料的基础上进行改进，设计了Ag-Cu-Ti(+Mop)/Cu/Ag-Cu复合钎料（其中Mop即Mo颗粒）钎焊多孔Si3N4陶瓷与Invar合金，探索了最佳的钎料成分以及钎焊工艺，阐述了接头形成机理，通过有限元模拟对接头应力进行了分析。本文探索了液态钎料对两侧母材的润湿行为。Ag-Cu-Ti钎料以及Ag-Cu-Ti+Mop复合钎料对多孔Si3N4陶瓷母材的润湿过程分为钎料初始熔化铺展、

5、持续铺展以及趋近平衡三个阶段。在铺展的同时伴随着液态钎料向陶瓷母材孔隙中的渗入，钎料中的活性元素Ti与陶瓷的反应提供了润湿的驱动力。Ti含量的增加能够促进液态钎料向陶瓷中的渗入并降低最终的平衡接触角。Mo颗粒的引入会显著降低液态钎料的流动性，因此随Mo颗粒含量的升高，钎料与陶瓷的接触角增大。液态Ag-Cu钎料能够很好的润湿Invar合金，最终近乎完全铺展，两者之间的溶解扩散作用提供了驱动力。而Ag-Cu-Ti钎料润湿Invar的过程中，Ti与Invar之间反应形成金属间化合物降低了钎料的流动性和铺展能力。使用Ag-Cu-Ti钎料钎焊多孔Si3N

6、4/Invar时，接头的典型结构为：多孔Si3N4/反应层/Ag-Cu共晶+Ni3Ti/Fe2Ti/Invar。使用Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu复合钎料进行钎焊时，Cu中间层能够有效地起到屏蔽作用，抑制金属间化合物Ni3Ti和Fe2Ti的形成。综合探索了最佳的钎料组成以及钎焊工艺，发现Cu中间层厚度较薄时，钎焊过程中将会完全溶解于液态钎料中，而中间层过厚时又不利于接头整体性能。Ti含量较低时无法保证陶瓷与钎料之间的可靠连接，而Ti含量过多时又会加剧Cu中间层的溶解。钎焊温度与保温时间的影响较为相似，较低的钎焊温度和较短的保温时间会使接头反

7、应不充分，反之较高的钎焊温度和较长的保温时间又会导致接头组织的恶化。在多层钎料的基础上加入Mo颗粒（构成Ag-Cu-Ti+Mop/Cu/Ag-Cu复合钎料），可降低Si3N4陶瓷侧钎料的热膨胀系数，从而使接头中的残余应力水平降低，提高接头性能。但Mo在高温时会吸收部分Ti元素，并且在冷却过程中将其释放出来，释放出的Ti与Cu反应会促进Cu中间层溶解，因此过高的Mo颗粒含量将会破坏Cu中间层的连续性，导致有害金属间化合物的生成。综上最佳的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文钎焊工艺为：使用Ag-Cu-10wt.%Ti+5.1wt.%(5vol.%

8、)Mop/Cu/Ag-Cu复合钎料在900℃下保温20min进行钎焊，得到的最高接头剪切强度为83MPa，相比于单独使用Ag-Cu-Ti钎料提高了84