纳秒激光处理的ZrO2陶瓷润湿性及钎焊特性研究

作     者：郑天鹏 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋晓国

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：ZrO2陶瓷 Sn-Ti合金 润湿性 钎焊 纳秒激光 

摘      要：ZrO陶瓷因为其低热膨胀系数、耐高温、耐磨性好、化学性质稳定、高电阻率、高折射率等优点,常被用作耐高温材料、绝缘材料、陶瓷遮光剂,因此广泛应用于汽车、核能、航空、航天、医疗等领域。虽然陶瓷具有各种优异性能,但陶瓷自身脆性高、韧性差,导致陶瓷材料很难一体成型,制约了陶瓷材料的应用。因此,研究陶瓷自身和金属/陶瓷的可靠连接具有较大的实践意义和学术价值。金属/陶瓷存在较大的物理和化学性质差异,导致金属难以在陶瓷表面润湿,因而本课题对ZrO陶瓷采用纳秒激光进行表面处理,意图改善金属在陶瓷表面的润湿性,随后研究Sn-Ti/ZrO陶瓷体系的润湿性,最后,使用Sn-Ti连接ZrO陶瓷,分析其界面组织和力学性能。对纳秒激光表面处理后ZrO陶瓷表面进行了观察,ZrO陶瓷表面形成了有规律的网格沟槽,沟槽深度和高度在几十个μm的数量级。ZrO陶瓷表面表面粗糙度与激光加工参数有关,改变激光扫描速度和激光功率得到了不同沟槽尺寸和粗糙度的ZrO陶瓷。ZrO陶瓷表面润湿性的改变,是激光加工后ZrO陶瓷表面形貌和表面化学共同作用的结果,SEM、XRD和XPS共同表征了ZrO陶瓷表面化学的变化。探究了Sn-xTi(x=1、3、5)合金在ZrO陶瓷(未处理、纳秒激光处理1小时后、纳秒激光处理7天后)表面的润湿性,活性元素Ti的加入显著促进了Sn-xTi在ZrO表面的润湿。使用Sn-xTi(x=1、3、5)钎料连接ZrO陶瓷(未处理、纳秒激光处理1小时后、纳秒激光处理7天后),研究其接头界面特性,测试力学性能,分析断裂特性。ZrO/ZrO钎焊接头剪切强度随着活性元素Ti含量的上升而上升。纳秒激光处理显著提升了接头强度,最大强度可达39.15MPa。可以看到,钎料嵌入纳秒激光加工形成的沟槽内,一部分断裂发生在钎料上,一部分断裂发生在钎焊界面上,沟槽上的钎料被剥离,这也在一定程度上阻碍了断裂。