許祥平, 于步江, 劉 欣, 鄒家生

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

Si3N4陶瓷是一種很有前景的工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料,但實(shí)現(xiàn)陶瓷之間或陶瓷與金屬之間的可靠連接一直是困擾高性能結(jié)構(gòu)陶瓷得以廣泛應(yīng)用的難點(diǎn)．活性釬焊和擴(kuò)散連接是兩種較為成功的連接方法．為了同時(shí)提高接頭的室溫強(qiáng)度和高溫性能,有學(xué)者已對(duì)活性釬焊和擴(kuò)散連接參數(shù)對(duì)接頭性能的影響進(jìn)行了深入的研究[1,2]．文獻(xiàn)[3]對(duì)Si3N4陶瓷TLP連接的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究,提出了二次PTLP連接,并建立采用Ti/Cu/Ni中間層進(jìn)行Si3N4陶瓷的二次PTLP連接過程的數(shù)值模擬和二次PTLP連接的數(shù)值模型[4,5]．文中提出采用非晶復(fù)合中間層和兩步加熱的新方法進(jìn)行Si3N4陶瓷的釬焊-擴(kuò)散連接,是一種改善陶瓷接頭的室溫和高溫力學(xué)性能的連接方法．目前,迫切需要從科學(xué)的角度對(duì)連接參數(shù)優(yōu)化選擇(連接溫度、時(shí)間和中間層厚度)的理論模型開展廣泛深入的研究．為此,基于前期的研究結(jié)果和PTLP連接模型,提出非晶復(fù)合中間層釬焊-擴(kuò)散連接過程的模型并對(duì)模型的應(yīng)用進(jìn)行分析．

1 Si3N4陶瓷釬焊擴(kuò)散連接中間層設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接的中間層為Ti-Zr-Cu-B非晶/Cu/Ni/Cu/Ti-Zr-Cu-B非晶．連接工藝亦采用兩步加熱的方法,第一步的連接溫度T1高于Ti-Zr-Cu-B非晶箔液相線溫度30～50℃,這其實(shí)是一次等溫釬焊過程．在該溫度下形成的液相合金中的活性元素Ti-Zr和Si3N4陶瓷反應(yīng)不斷消耗,同時(shí),銅箔的不斷溶入導(dǎo)致液相合金液相線溫度提高,完成等溫凝固過程,但須保證Cu箔層不完全熔化,從而能有效地阻止Ni向液相合金中的溶入生成脆性的Ni-Ti化合物．第二步加熱保溫溫度T2介于Cu的熔點(diǎn)和Ni的熔點(diǎn)之間,這時(shí)等溫凝固的Cu-Ti-Zr固溶體層和剩余固態(tài)Cu層完全熔化,但由于Ti-Zr-Cu-B非晶箔相對(duì)于銅箔的厚度很小,且Ti原子已大部分被界面反應(yīng)所消耗,故此溫度下形成的Cu-Ti-Zr液相合金的含Ti量很低,從而可避免形成Ni-Ti脆性化合物．通過第二步加熱保溫過程N(yùn)i的溶入,完成液相區(qū)的再一次等溫凝固和固相成分充分均勻化,從而大幅度地提高接頭的室溫和高溫性能．這第二步加熱保溫過程實(shí)際是擴(kuò)散連接過程．故文中提出的非晶復(fù)合中間層和兩步加熱保溫連接方法是釬焊和擴(kuò)散連接相結(jié)合的一種新方法．

僅采用Ti-Zr-Cu-B非晶箔釬焊Si3N4陶瓷,其釬焊接頭的高溫性能受到Ti-Zr-Cu-B合金熔化溫度的限制．相對(duì)于采用Ti-Zr-Ni-Cu非晶釬料釬焊連接Si3N4陶瓷,由于避免了大量Ni-Ti脆性化合物的形成,可以大幅度提高接頭室溫性能,二步加熱擴(kuò)散連接又使接頭的高溫力學(xué)性能得到改善,剩余Ni箔的存在又能降低接頭的殘余應(yīng)力．

相對(duì)于采用Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多層中間層的PTLP方法,通過急冷工藝將上述Ti-Zr-Cu-B系合金制成非晶箔代替Ti箔,調(diào)整成分方便并可進(jìn)一步添加合金元素;因?yàn)榈谝徊郊訜嵯喈?dāng)于釬焊連接過程而不是PTLP,故Ni箔、Cu箔的厚度可基本固定,Ti-Zr-Cu-B非晶箔的厚度也無(wú)須改變,活性元素Ti的含量通過改變Ti-Zr-Cu-B合金的成分來(lái)保證．

2 Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接過程模型

Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接過程界面結(jié)構(gòu)演變大體可分為5個(gè)階段(圖1):第一階段,一步加熱,Ti-Zr-Cu-B釬料箔帶熔化,Cu-Ti-Zr液相區(qū)增寬及Cu的不斷溶解;第二階段,Cu繼續(xù)溶入和液相等溫凝固;第三階段,二步加熱,Cu-Ti-Zr合金層和未熔化的Cu層全部熔化,溶入液相;第四階段,液相區(qū)增寬,Ni層溶入液態(tài)合金,成分均勻化;第五階段,第二次液相等溫凝固．

圖1 釬焊-擴(kuò)散連接過程界面結(jié)構(gòu)演變Fig.1 Evolution of interface structure of brazing-diffusion

由于原子在固相中的擴(kuò)散較慢,在到達(dá)釬焊溫度時(shí),厚度很小的Ti-Zr-Cu-B釬料箔帶的熔化幾乎是瞬時(shí)的,所以可以忽略陶瓷與Ti-Zr-Cu-B釬料完全熔化前發(fā)生的界面反應(yīng)．因此,僅考慮從Ti-Zr-Cu-B釬料箔帶完全熔化后到等溫凝固過程結(jié)束之間的界面反應(yīng)形成的反應(yīng)層．圖2為Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接過程中各界面的尺寸．其中,W1為非晶釬料箔帶B的厚度;W2為Cu箔的厚度;W3為Ni箔的厚度．

圖2 釬焊-擴(kuò)散連接過程界面尺寸Fig.2 Interface measurements of brazing-diffusion

一步加熱保溫過程中,非晶釬料熔化后,由于Cu的不斷溶解,等溫凝固前的最大液相區(qū)寬度為Wmax1,等溫凝固前Cu箔溶解掉的厚度為WR1,等溫凝固前由界面反應(yīng)形成的反應(yīng)層厚度為Z,則

Wmax1=W1+WR1-Z

(1)

相對(duì)于Wmax1，W1和WR1而言,反應(yīng)層厚度可以忽略不計(jì),即

Wmax1=W1+WR1

(2)

假設(shè)反應(yīng)層生長(zhǎng)因子Kp不隨液態(tài)釬料合金的成分而變化,非晶釬料熔化到等溫凝固前的時(shí)間為t1,等溫凝固的時(shí)間為t2,則

(3)

又等溫凝固前溶解的Cu箔的厚度為WR1,則

(4)

(5)

根據(jù)質(zhì)量平衡原理,等溫凝固前的最大液相區(qū)寬度Wmax1可由下式得出

Wmax1ρL1αL1Cu=W1ρBαBCu+WR1ρCu

(6)

式中：ρL1為一步加熱時(shí)形成液態(tài)釬料合金的平均密度;αL1Cu為液態(tài)釬料中Cu的平均百分濃度;ρB為非晶釬料箔帶B的密度;αBCu為非晶釬料箔帶B中Cu的百分濃度;ρCu為Cu箔的平均密度．

由式(2，6)可得

(7)

(8)

(9)

(10)

二步加熱時(shí),已等溫凝固的Cu-Ti-Zr固溶體層和剩余固態(tài)Cu層完全熔化,使得此溫度下形成的Cu-Ti-Zr液相合金中活性元素的含量進(jìn)一步降低,此時(shí)Ni箔也開始不斷溶入液相合金中．

此時(shí)形成最大液相區(qū)的時(shí)間為

(11)

隨著Ni不斷溶入液相區(qū),液相區(qū)開始發(fā)生第二次等溫凝固,最終液相區(qū)消失,形成Si3N4/反應(yīng)層/Cu-Ni-Ti-Zr固溶體/Ni的界面．液相區(qū)完全等溫凝固所需時(shí)間為

(12)

式中：K3和K4對(duì)特定的材料系統(tǒng)在給定的溫度下均為無(wú)量綱常數(shù)．

根據(jù)質(zhì)量平衡原理,二步加熱連接形成的液相區(qū)最大寬度Wmax2可由下式得出：

Wmax2ρL2αL2Cu=W2ρCu+W1ρBαBCu

(13)

式中:ρL2為二步加熱時(shí)形成的Cu-Ni-Ti-Zr合金的平均密度;αL2Cu為Cu-Ni-Ti-Zr合金中Cu的平均百分濃度．

形成液相區(qū)最大寬度Wmax2時(shí),Ni箔的溶解寬度為WR2,其中：

WR2=Wmax2-W1-W2+Z

(14)

如果忽略反應(yīng)層厚度Z,則

WR2=Wmax2-W1-W2

(15)

由式(13，15)可得

(16)

則

(17)

由式(15，16)化簡(jiǎn)可得

(18)

在活性釬焊和固相擴(kuò)散連接中,為了獲得高的接頭強(qiáng)度,連接溫度和時(shí)間必須進(jìn)行優(yōu)化．研究表明[6]:連接參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響常常是由于形成了不同厚度的反應(yīng)層,與陶瓷的最高連接強(qiáng)度相對(duì)應(yīng),反應(yīng)層厚度有一最佳值．對(duì)于文中采用的陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接,在選定的一步連接溫度下,首先應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)確定最佳反應(yīng)層厚度Zc,目的是獲得高連接強(qiáng)度;為了得到最佳反應(yīng)層厚度Zc所需要的Ti-Zr-Cu-B非晶釬料箔的成分及厚度已有前期研究[7]．為了減少高溫連接時(shí)間,本文設(shè)想一步加熱時(shí)的等溫凝固過程可以省掉,因?yàn)槎郊訜岷笫Ｓ郈u箔熔化后可起到同樣的效果,故一步加熱時(shí)的反應(yīng)層應(yīng)在液相區(qū)增寬過程中形成,即

假設(shè)反應(yīng)層生長(zhǎng)因子Kp不隨液體合金的成分而變化,最佳反應(yīng)層厚度

(19)

由此可確定一步加熱的最佳保溫時(shí)間tc1．則在tc1保溫時(shí)間內(nèi)溶解掉的Cu箔厚度可由tc1確定

(20)

根據(jù)中間層設(shè)計(jì)思想,在一步加熱保溫結(jié)束時(shí)要求有未熔Cu層存在,以阻止Ni進(jìn)入液相釬料合金,故要求選擇Cu箔厚度:W2>WR1．

二步加熱是為了降低Cu-Ni-Ti-Zr液相合金中的Ti，Ni含量,同時(shí)保證二次等溫凝固過程充分進(jìn)行,以保證最終接頭界面結(jié)構(gòu)為Si3N4/反應(yīng)層/Cu-Ni-Ti-Zr固溶體/Ni．有效的避免的了Ti-Ni固溶體的出現(xiàn)．從而保證了接頭連接強(qiáng)度和接頭耐熱性．故要求二步加熱的保溫時(shí)間tc2滿足

tc2≥t3+t4

(21)

最終未溶解的Ni層有利于松弛接頭的殘余應(yīng)力,如能通過有限元分析得到松弛接頭殘余應(yīng)力的最佳Ni箔厚度WRc,則Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接過程中所需Ni箔厚度為

W3=WR2+WRc

(22)

根據(jù)本文提出的模型并按如上順序選擇參數(shù),可以同時(shí)保證連接強(qiáng)度和接頭耐熱性．

4 結(jié)論

1) 采用TiZrCuB/Cu/Ni/Cu/TiZrCuBSi3N4非晶復(fù)合中間層釬焊-擴(kuò)散連接Si3N4陶瓷,建立了Si3N4陶瓷釬焊-擴(kuò)散連接過程模型．

2) 釬焊-擴(kuò)散連接Si3N4陶瓷連接參數(shù)選擇的方法是:在選定的一步連接溫度下,首先應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)確定最佳反應(yīng)層厚度ZC,根據(jù)ZC可確定需要的Ti-Zr-Cu-B非晶釬料箔的成分和相應(yīng)厚度W1以及一步加熱的最佳保溫時(shí)間tc1和銅箔厚度W2;其次,根據(jù)模型進(jìn)一步確定二步加熱的保溫時(shí)間tc2,結(jié)合有限元分析最后確定Ni箔厚度W3．

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