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al2o3陶瓷与3003铝合金超声辅助TLP连接机理研究及蜂窝板制备

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Al2O3陶瓷与3003铝合金超声辅助TLP连接机理研究及蜂窝板制备

作者：赵格龙太原理工大学

学位级别：硕士

alo陶瓷铝蜂窝板是一种新型复合蜂窝板,具有承载强度高,隔音效果好,防火性能好等诸多优点,展现出在航空航天、汽车、建筑装修等领域的应用前景。alo陶瓷铝蜂窝板的制备需要实现alo陶瓷与铝合金的连接,然而大多数的连接方式为间接钎焊,... 详细信息

alo陶瓷铝蜂窝板是一种新型复合蜂窝板,具有承载强度高,隔音效果好,防火性能好等诸多优点,展现出在航空航天、汽车、建筑装修等领域的应用前景。alo陶瓷铝蜂窝板的制备需要实现alo陶瓷与铝合金的连接,然而大多数的连接方式为间接钎焊,工艺复杂,直接焊接的连接方式需要真空环境且焊接温度较高,这严重阻碍了陶瓷铝蜂窝板在建筑领域的大规模应用,针对这些问题本学位论文基于计算各Zn合金晶粒细化生长抑制因子Q,分析筛选设计出了al/Zn/al叠加薄箔和al/Zn/al/镀Zn泡沫铜/al/Zn/al叠加薄箔两种中间层材料,使用超声波辅助条件下空气中瞬态液相连接(Transient Liquid Phase Bonding,TLP)的方法,实现了空气中低温连接alo陶瓷与3003铝合金,研究接头微观界面组织和力学性能,并制作出陶瓷铝蜂窝板。发现当采用al/Zn/al作为中间层时,焊接温度530℃,超声时间3s,是超声波辅助TLP连接alo陶瓷和3003铝合金最优工艺参数。此时接头的界面结构为3003al/α-al固溶体+小Zn-al共晶颗粒(Ⅰ区)/α-al固溶体(Ⅱ区)/富Zn相+Zn-al共晶/alo陶瓷。采用这项参数焊接接头的强度达到最大值54.79 MPa。焊接温度为550℃工艺下,当超声时间1s～5s内升高时,焊接接头剪切强度从20.70 MPa增加至47.25 MPa,组织由大块Zn-al共晶相+α-al固溶体+富Zn相转变为细颗粒Zn-al共晶物+α-al固溶体+富Zn相,超声时间5s～10s内升高时,焊接接头剪切强度降低至22.10 MPa,界面组织陶瓷侧由α-al固溶体+小块Zn-al共晶+富Zn相转变为α-al固溶体+小块Zn-al共晶+大块富Zn相。超声时间为3s工艺下,焊接温度从490～530℃内升高时,焊接接头剪切强度从8.43 MPa增加至54.79 MPa,组织由大块Zn-al共晶相+α-al固溶体+少量富Zn相转变为细小颗粒Zn-al共晶物+α-al固溶体+富Zn相(升高10%),当焊接温度在530～570℃内升高时,焊接接头剪切强度降低至9.08 MPa,界面组织陶瓷侧由α-al固溶体+小块Zn-al共晶+富Zn相转变为小块Zn-al共晶+α-al固溶体+大块富Zn相(升高50%)。当采用al/Zn/al/镀Zn泡沫铜/al/Zn/al叠加薄箔作为中间层时,焊接温度达到550℃,超声时间为3s时的工艺条件下是焊接alo陶瓷和3003铝合金的最优工艺参数。此时接头的界面结构为3003al/α-al固溶体+Zn-al共晶颗粒+Cu al(Ⅰ区)/镀Zn泡沫铜+Zn-Cu合金+Zn-Cu-al合金+α-al固溶体(Ⅱ区)/富Zn相+Zn-Cu-al化合物/alo陶瓷。采用这项参数焊接接头的强度达到最大值27.23MPa。温度为530℃工艺下,随超声时间从0.5s增加到3s,焊接接头剪切强度从5.56 MPa增加至17.23 MPa,界面组织从泡沫铜+Zn-al共晶相+Zn Cu化合物转变为Zn-al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-al合金+Cu al+α-al+富Zn相,随超声从3s增加至5s,接头剪切强度增加至19.70 MPa,界面组织依旧为Zn-al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-al合金+Cu al+α-al+富Zn相;超声时间为3s工艺下,焊接温度为490℃时,接头有较多深坑,接头抗剪强度只有1.7 MPa随着焊接温度从510℃逐渐升高至530℃,接头的抗剪切强度从10.87 MPa逐渐增大至17.23MPa,界面组织由α-al+大块Zn-al共晶相+Zn Cu化合物转变为界面组织由Zn-al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-al合金+Cu al+α-al+富Zn相,从530℃升高至550℃,接头抗剪切强度增大至27.23 MPa,界面组织由界面组织由Zn-al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-al合金+Cu al+α-al+富Zn相转变为Zn-al共晶相+Zn Cu化合物+Zn-Cu-al合金+大量Cu al+α-al+富Zn相。制得的陶瓷铝蜂窝板平压试验的最大破坏载荷达到1148.78N,平压强度最高达0.72 MPa。三点弯曲试验测得最大载荷370.47N,芯子最大剪切强为0.28MPa,面板强度为17.54 MPa,陶瓷板与蜂窝芯T型接头组织主要有α-al固溶体和Zn-al共晶物,可固溶强化接头,是阻止断裂的主要原因。本课题焊接方法连接alo陶瓷与3003铝合金,采用al/Zn/al作为中间层的焊接接头最高剪切强度可达54.79 MPa,在直接焊接工艺中比目前最高强度33.7 MPa提高约63%,焊接温度由640℃降低至530℃,并实现空气中连接。

关键词： al2o3陶瓷 3003铝合金 TLP连接超声波蜂窝板

al2o3陶瓷与2024铝合金超声钎焊的钎料设计及接头性能研究

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Al2O3陶瓷与2024铝合金超声钎焊的钎料设计及接头性能研究

作者：李海君中南大学

学位级别：硕士

alo陶瓷是一种由氧化铝粉末压力成型后高温烧结而成的高性能陶瓷。alo陶瓷的硬度高、强度高和密度小,且具有优异的耐磨性、耐热性,使得alo陶瓷在航空航天、军事国防等领域得到广泛的运用。但alo陶瓷机械加工制造难度大,容易脆断,导致al... 详细信息

alo陶瓷是一种由氧化铝粉末压力成型后高温烧结而成的高性能陶瓷。alo陶瓷的硬度高、强度高和密度小,且具有优异的耐磨性、耐热性,使得alo陶瓷在航空航天、军事国防等领域得到广泛的运用。但alo陶瓷机械加工制造难度大,容易脆断,导致alo陶瓷的应用受到较大的限制。陶瓷与金属连接形成复合结构能充分体现出彼此的优点。但alo陶瓷与2024铝合金的热膨胀系数差异较大,导致钎焊工艺连接后的alo陶瓷/2024铝合金接头内有较大的残余应力,力学性能较低。本文将Cu元素添加至Zn5al共晶合金中,Cu元素与钎料中的Zn元素反应生成脆性金属间化合物Cu Zn,钎料中适量Cu Zn的弥散分布使得钎料的热膨胀系数减小,以达到缓解钎焊接头残余应力的目的。为了使金属钎料更好的润湿陶瓷表面,将超声波作用加入到alo陶瓷与2024铝合金的钎焊工艺中,并利用SEM、EDS、XRD等分析手段对钎焊接头的微观组织进行分析。利用制备好的Zn5al-x Cu(x:0.5,1,2,5)钎料对alo陶瓷和2024铝合金进行超声钎焊连接。钎料中Cu元素含量的增加使得al元素在Zn中的溶解度增大。在超声钎焊过程中,铝合金母材中al元素向焊缝中的溶解量随着钎料中Cu元素含量的增加而增加,焊缝中共晶组织体积不断增大。随着钎料中al元素含量的不断增加,使得钎料中Cu Zn相在共晶相与η-Zn相边界析出并长大。当采用Zn5al2Cu钎料时,钎焊接头的平均剪切强度为84.80 MPa,相比于未添加Cu元素的钎料,其剪切强度提高了115%。在不同钎焊参数条件下,采用Zn5al2Cu钎料对alo陶瓷与2024铝合金进行超声钎焊,探究钎焊工艺参数对alo陶瓷/Zn5al2Cu/2024铝合金接头连接性能的影响。实验结果表明:试件冷却方式与alo陶瓷待焊表面超声涂覆时间对钎焊接头连接性能影响较大。钎焊试件采用空冷处理时,铝合金与钎料收缩过快导致钎焊接头内产生较大的残余应力,导致钎焊接头在较小的载荷下发生陶瓷脆断失效。降低钎焊试件的冷却速率可以有效缓解钎焊接头内的残余应力,以改善钎焊接头的力学性能。对alo陶瓷的超声涂覆处理可以使金属钎料润湿alo陶瓷表面,并与其形成良好连接。alo陶瓷/Zn5al2Cu/2024铝合金接头的连接强度随着超声涂覆处理时间的延长而不断增加,当陶瓷表面超声涂覆处理时间为300 s时,钎焊接头的平均剪切强度为89.66 MPa。对钎焊试件进行保温处理过程中,液态钎料不断溶蚀铝合金母材。焊缝中al元素的增加导致力学性能较好的共晶组织增多,使钎焊接头的力学性能小幅提升。但过长的保温时间使得焊缝中的脆性金属间化合物Cu Zn析出量增多降低填充金属的力学性能。在保温过程中液态钎料对铝合金的溶蚀和潜流作用使得铝合金表面质量被严重破坏。本论文采用Ti颗粒和玻璃粉作为增强相与Zn5al2Cu钎料混合制成复合钎料,利用增强相颗粒对钎料性能进行改善。增强相在钎焊接头冷却过程中能有效阻止金属钎料的收缩,缓解钎焊接头内的残余应力。在钎焊接头剪切过程中,增强相也承受部分载荷,阻碍裂缝的扩展,使断裂路径更加曲折,接头能承受的载荷更大。使用Zn5al2Cu-x Ti复合钎料和Zn5al2Cu-x玻璃粉复合钎料连接的alo陶瓷/2024铝合金接头最高剪切强度分别能达到113.00 MPa和146.91 MPa。图60幅,表10个,参考文献72篇

关键词：超声钎焊 Zn-al-Cu 复合钎料 al2o3陶瓷 2024铝合金

al2o3陶瓷与Cu及TC4合金的连接研究

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Al2O3陶瓷与Cu及TC4合金的连接研究

作者：金柏希武汉工程大学

学位级别：硕士

alo陶瓷与Cu及Ti合金的连接在电子封装和航空航天等领域有广泛的应用。本研究采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料及添加难熔金属箔真空钎焊alo陶瓷与Cu及Ti6al4V(TC4)合金,研究了难熔金属箔对接头微观结构、力学性能和应力缓解效果的影响。采用Ag-... 详细信息

alo陶瓷与Cu及Ti合金的连接在电子封装和航空航天等领域有广泛的应用。本研究采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料及添加难熔金属箔真空钎焊alo陶瓷与Cu及Ti6al4V(TC4)合金,研究了难熔金属箔对接头微观结构、力学性能和应力缓解效果的影响。采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料及添加难熔金属W或Ta箔成功钎焊了alo陶瓷与Cu。焊料中的Ti和Cu与alo陶瓷发生界面反应在alo陶瓷与焊料层之间生成了CuTio反应层。采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料时,焊料层主要由Ag(ss)和Cu(ss)组成。采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料+W箔或Ta箔时,接头连接区域可以分为焊料层I、难熔金属中间层和焊料层II。其中,焊料层I和II中均主要由Ag(ss)和Cu(ss)组成。对于添加W箔的接头,焊料中少量Ti原子会吸附在W表面,促进液态焊料与W中间层的界面结合。而对于添加Ta箔的接头,连接过程中Ta向液态焊料层中发生了少量的扩散和溶解。采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料及添加难熔金属Mo或Nb箔成功钎焊了alo陶瓷与TC4合金。与alo/Cu接头类似,在alo陶瓷与焊料层之间生成了CuTio反应层。同时,由于Cu向TC4母材中发生扩散形成了富Ti的扩散层。当采用Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料时,接头中焊料层主要由Ag(ss)和Ti Cu组成。而在Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料中添加难熔金属箔时,接头连接区域包括焊料层I、难熔金属中间层和焊料层II。其中,焊料层I主要由Ag(ss)和Cu(ss)组成,而焊料层II主要为Ag(ss)和Ti Cu相。此外,Mo和Nb箔在连接过程中均向液态焊料中发生了少量的扩散和溶解。采用在Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料中添加W箔和Ta箔连接alo陶瓷与Cu时,接头平均剪切强度分别为32.7 MPa和37.3 MPa,均高于不添加难熔金属箔的接头强度(24.9 MPa)。在Ag-26.7Cu-4.5Ti焊料中添加Mo和Nb箔连接alo陶瓷与TC4合金时,接头剪切强度分别为32.4 MPa和27.9 MPa,也均高于未添加难熔金属箔的接头强度(23.8 MPa)。说明在焊料中添加难熔金属箔有利于接头性能的提高。这主要是由于在焊料中引入与alo陶瓷母材热膨胀系数接近的难熔金属中间层时,可以改善接头中的应力分布及减少应力集中。此外,难熔金属箔Ta和Nb箔具有较好的塑性和延展性,可抑制接头微裂纹的扩展,也有利于接头的力学性能的提高。

关键词： al2o3陶瓷钎焊难熔金属残余应力

al2o3陶瓷/304不锈钢活性钎焊接头界面结合性能研究

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Al2O3陶瓷/304不锈钢活性钎焊接头界面结合性能研究

作者：李涛河北工业大学

学位级别：硕士

alo陶瓷具有质量轻、硬度高、耐蚀性好和热稳定性好等优点,在航天、电子、能源等领域有广泛应用。然而,由于alo陶瓷脆性大导致复杂构件加工难的缺点限制了其应用和发展。304不锈钢具有良好的加工性能、耐蚀性和生物相容性,二者的连接在... 详细信息

alo陶瓷具有质量轻、硬度高、耐蚀性好和热稳定性好等优点,在航天、电子、能源等领域有广泛应用。然而,由于alo陶瓷脆性大导致复杂构件加工难的缺点限制了其应用和发展。304不锈钢具有良好的加工性能、耐蚀性和生物相容性,二者的连接在电子、医疗和航空领域有潜在的应用价值。alo陶瓷与304不锈钢之间的热膨胀系数存在较大差异,导致接头中产生较大残余应力,严重影响接头的连接质量。本课题通过真空活性钎焊技术采用Ag-Cu-Ti钎料连接了alo陶瓷与304不锈钢;采用向Ag-Cu-Ti钎料中添加低膨胀系数颗粒和添加中间层的方法对接头残余应力进行了调控;采用扫描电镜、能谱仪、电子探针、X射线衍射和剪切试验等检测分析手段研究了接头微观组织演变规律;构建了组织和性能之间的联系,提出了不同形式钎料对接头残余应力的调控机制。随钎焊温度升高和保温时间延长,接头强度先增大后减小。当采用900℃/10 min钎焊工艺时,接头最大剪切强度为130.54 MPa。采用Ag-Cu-Ti钎料得到的接头典型界面组织为:alo陶瓷/CuTio反应层+TiCu化合物/Ag(s,s)+Cu(s,s)+Ti Cu化合物/Cu0.8Fe0.2Ti反应层/Ti Fe/Fe-Cr化合物+扩散层/304不锈钢。在钎料中分别加入BN和石墨制备成两种低膨胀系数钎料。BN会在钎缝中生成Ti N和Ti B颗粒,石墨会在钎缝中生成Ti C颗粒,这两者都能降低alo陶瓷与钎缝之间热膨胀系数的差异,并作为形核质点促进Ti Cu化合物的生成。当BN含量为0.1wt.%时,接头剪切强度达到151.23 MPa;石墨含量为0.1wt.%时,接头剪切强度达到203.49MPa。采用低膨胀系数钎料,接头的断裂均从alo陶瓷扩展到钎缝中,实现了对残余应力的调控。在钎料中分别加入了铜箔和表面覆有石墨的泡沫铜制备了两种中间层钎料,研究了铜箔厚度和泡沫铜孔径对接头的影响。研究发现,当采用厚度为200μm铜箔时,接头剪切强度达到198.10 MPa。铜箔利用其塑性变形能力对残余应力进行释放。采用孔径为150μm表面覆有石墨的泡沫铜时,接头最大剪切强度为246.84 MPa,完整的泡沫铜骨架结构充分发挥了其塑性变形能力和吸能性能来释放接头的残余应力。泡沫铜表面的石墨在钎缝中生成的Ti C促进了Ti Cu颗粒的形核。采用表面覆有石墨的泡沫铜中间层,对接头残余应力的缓解效果最好,通过增大钎缝塑性变形能力和减小热膨胀系数失配联合机制,降低了接头的残余应力。

关键词： al2o3陶瓷 304不锈钢钎焊界面微观组织残余应力

al2o3陶瓷与多体系金属活性钎焊机理及其连接性能研究

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Al2O3陶瓷与多体系金属活性钎焊机理及其连接性能研究

作者：王纪来天津大学

学位级别：硕士

alo陶瓷因具有良好的绝缘和耐高温性能,在航空发动机附件中得到广泛的应用。然而,alo陶瓷作为航空器件中重要的连接媒介之一,需要同时实现与多体系金属材料的可靠连接以实现不同的功能。本文采用活性高温钎料实现alo陶瓷同时与Kovar合金... 详细信息

alo陶瓷因具有良好的绝缘和耐高温性能,在航空发动机附件中得到广泛的应用。然而,alo陶瓷作为航空器件中重要的连接媒介之一,需要同时实现与多体系金属材料的可靠连接以实现不同的功能。本文采用活性高温钎料实现alo陶瓷同时与Kovar合金和0Cr18Ni9不锈钢的钎焊,基于接头界面组织和力学性能演变规律的分析,实现焊接工艺的优化,同时探究接头的高温组织稳定性以及抗热振性能。首先,采用铺展面积法表征了Ag-5Cu-1al-1.25Ti(wt.%)钎料在alo陶瓷表面的润湿铺展行为。结果表明,液态钎料在alo陶瓷表面具有良好的润湿性,通过界面的原位反应生成TiCuo反应层实现钎料合金与陶瓷基体的有效连接。采用该钎料在960℃/10 min参数下获得的alo/Kovar接头的典型界面结构为alo/Ti(Cu,al)o/Ag(s,s)+Cu(s,s)+弥散相al CuTi/TiNi+TiFe/Kovar,接头的室温抗剪强度可达150 MPa。系统研究了alo/Kovar接头在高温下的组织稳定性和力学性能变化规律,接头经600℃热循环恢复至室温后,界面结构保持完整性,接头的抗剪强度由室温下的150 MPa降低为120 MPa,且其断裂方式与室温下相似,裂纹均起源于陶瓷侧的反应层并沿陶瓷基体扩展。其次,采用银基钎料在980℃/10 min下钎焊alo陶瓷和0Cr18Ni9不锈钢的典型界面结构为alo/Ti(Cu,al)o/Ag(s,s)+Cu(s,s)/(Ti,Fe,Ni,al)(s,s)/Ag(s,s)+TiFe/Fe-Cr/0Cr18Ni9 steel。研究表明随着钎焊温度和保温时间的增加,液态钎料的流动性增强,提高Ti元素与不锈钢基体元素的反应活性,大大增强界面冶金结合的程度,接头的室温抗剪强度最大为211 MPa。alo/不锈钢接头在600℃测试环境下,其抗剪强度下降为95 MPa。高温抗剪强度急剧下降的主要原因是Ag基体在高温下发生严重的软化现象。最后,采用有限元计算和试验结合的方法,设计并优化一体化焊接密封结构件,实现了alo陶瓷和Kovar合金及不锈钢两种金属材料的一体化连接。当alo陶瓷与不锈钢由端面焊接转变为侧壁焊接时,有效改善了接头残余应力的分布,陶瓷基体产生的最大应力由390 MPa降低为29 MPa,从而提高了复合构件接头的服役可靠性。复合结构件在经历-55～400℃的温冲循环后,其泄漏率小于7.0×10 Pa·m/s。

关键词：活性钎焊 al2o3陶瓷多体系金属反应机理高温稳定性

aloN/al2o3陶瓷连接机理及中间层组成和结构调控方法研究

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AlON/Al2O3陶瓷连接机理及中间层组成和结构调控方法研究

作者：张陈博凡大连海事大学

学位级别：硕士

aloN透明陶瓷透过率高,综合力学性能好,是理想的耐高温窗口材料,alo陶瓷机械强度高、化学稳定性好,是常用的飞行器罩体材料。本文采用无压烧结方法开展aloN/alo陶瓷连接机理、aloN中间层材料物相组成调控方法研究,并进行了aloN和alo陶... 详细信息

aloN透明陶瓷透过率高,综合力学性能好,是理想的耐高温窗口材料,alo陶瓷机械强度高、化学稳定性好,是常用的飞行器罩体材料。本文采用无压烧结方法开展aloN/alo陶瓷连接机理、aloN中间层材料物相组成调控方法研究,并进行了aloN和alo陶瓷连接试验。主要研究内容及结果如下:(1)aloN/alo陶瓷连接机理研究:分别将添加了0.5 wt.%Yo的aloN和alo粉体压制成坯体,上下叠放,在氮气中1880℃保温90 min无压一次共烧连接aloN/alo陶瓷,在界面处观察到了晶粒融合生长现象。对升温过程中aloN和alo样品物相组成分析结果表明,1500℃时aloN样品中存在12.4 wt.%α-alo,与另一侧的alo陶瓷物相组成相同,使异质连接问题转变为具有共同相的同质连接,这应是界面处晶粒能够融合生长的主要原因。另外,此时aloN和alo两种陶瓷的相对密度均不高,且晶粒尺寸相近,这也有利于促进界面处晶粒融合生长。(2)aloN中间层物相组成调控方法研究:探究了Yo掺量(0.5～5.0 wt.%)及aloN粉体o/N(4.38～6.75)、D(1.14～1.98μm)及alo掺量(0～20 wt.%)对aloN中间层材料升温过程中的物相组成、微观结构和相对密度的影响,并测试了1880℃保温90 min烧结陶瓷的相对密度。结果表明,1500～1700℃,Yo掺量对样品的α-alo含量及相对密度影响规律相同:Yo掺量由0.5 wt.%提高到1.0 wt.%时,相变产生的α-alo含量及样品相对密度都呈增加趋势(1500℃:α-alo含量12.4 wt.%→16.0 wt.%;相对密度52.84%→56.22%),但当Yo掺量>1.0 wt.%时,α-alo含量及样品相对密度则随Yo掺量增加而减小。随aloN粉体o/N由4.38增加6.75,1500℃样品的α-alo含量由18.3 wt.%减小到12.4 wt.%;控制aloN粉体粒度也可调控中间层材料的相组成,1500℃时,粉体D为1.14μm和1.98μm的样品,α-alo含量分别为17.8 wt.%和12.4wt.%,样品相对密度相近;随α-alo掺量增加,中间层样品中的α-alo含量增加;保温烧结后,所有样品都具有较高的相对密度,97.98%～99.44%。(3)以aloN粉体作为中间层原料进行aloN、alo陶瓷连接试验,结果表明:aloN陶瓷母材与中间层能够通过晶粒融合生长实现连接,获得致密连接界面,而且aloN粉体及烧结助剂都具有较宽的调节范围;alo陶瓷与中间层之间一般会存在连接界面,但可通过增加Yo掺量提高物质扩散能力,或外掺α-alo、控制aloN粉体o/N和粒度来调控中间层的物相组成,使之升温过程中与母材更相近,从而获得致密的连接界面;组成梯度变化的中间层可实现aloN/alo陶瓷连接。

关键词： aloN陶瓷 al2o3陶瓷陶瓷连接 aloN中间层

超声辅助钎焊al2o3陶瓷与铝合金接头组织及性能研究

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超声辅助钎焊Al2O3陶瓷与铝合金接头组织及性能研究

作者：李宇翔中南大学

学位级别：硕士

alo陶瓷和2024铝合金的钎焊结构在电子封装、航空航天等领域具有广阔的应用前景,alo陶瓷与2024铝合金的钎焊工艺是当前异种材料连接的研究热点。目前alo陶瓷和2024铝合金的钎焊存在以下问题:alo陶瓷化学性质稳定,难以与金属形成结合;al... 详细信息

alo陶瓷和2024铝合金的钎焊结构在电子封装、航空航天等领域具有广阔的应用前景,alo陶瓷与2024铝合金的钎焊工艺是当前异种材料连接的研究热点。目前alo陶瓷和2024铝合金的钎焊存在以下问题:alo陶瓷化学性质稳定,难以与金属形成结合;alo陶瓷的热膨胀系数较小,与钎料以及2024铝合金母材的热膨胀系数不匹配,高温焊接后的接头中存在较大残余应力,从而影响接头性能;2024铝合金熔点较低,传统钎焊工艺温度较高,难以通过传统钎焊工艺连接2024铝合金和alo陶瓷,严重限制了alo陶瓷/2024铝合金接头的工程应用。因此,如何实现alo陶瓷和2024铝合金的低温钎焊是亟待解决的关键问题。使用超声辅助钎焊连接alo陶瓷和2024铝合金可以有效降低钎焊温度,在钎料熔化后即可实现钎料对alo陶瓷和2024铝合金的快速润湿。由于2024铝合金熔点较低,应选择熔点低于2024铝合金的合金作为钎料。设计选用了Zn5al合金和Sn9Zn2al合金作为钎料,探究了不同超声时间下钎料在母材表面的铺展行为,使用Zn5al钎料和Sn9Zn2al钎料对alo陶瓷和2024铝合金进行了超声辅助钎焊,分析了不同超声时间作用下alo陶瓷/2024铝合金超声钎焊接头界面结构。通过对alo陶瓷/2024铝合金超声钎焊接头中元素分布和元素扩散的分析,得到了接头界面反应产物。通过对接头进行力学性能测试,揭示了alo陶瓷超声预涂覆时间对接头强度的影响规律,并进一步研究了超声作用下alo陶瓷/2024铝合金超声钎焊接头的断裂形貌、断裂方式以及断裂路径。为了缓解接头应力,提高接头强度,使用Zn5al钎料与热膨胀系数较小的SiC颗粒混合制备复合钎料,使接头强度由39 MPa提高至66 MPa。通过对接头进行剪切测试,探究了SiC颗粒质量分数对接头强度的影响规律,揭示了SiC颗粒对接头强度的增强机制。将玻璃粉颗粒与Sn9Zn2al钎料混合制备复合钎料,接头强度由64 MPa提高至84 MPa。通过对接头进行剪切测试,总结了玻璃粉颗粒质量分数对接头强度的影响规律,揭示了玻璃粉颗粒对接头强度的增强机制。图71幅,表5个,参考文献62篇

关键词：超声辅助钎焊 al2o3陶瓷 2024铝合金复合钎料

B2o3-Sio2扩散连接al2o3陶瓷及性能研究

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B2O3-SiO2扩散连接Al2O3陶瓷及性能研究

作者：戴闽敏广东工业大学

学位级别：硕士

氧化铝(alo)陶瓷是一种重要的结构陶瓷,具有优异的耐磨性、耐腐蚀性等。采用alo陶瓷制备的机械零部件广泛应用于机械、化工和航空航天等领域。随着科学技术的不断发展,机械零部件的尺寸、形状变得更加复杂,且alo陶瓷脆性大,难以采用传... 详细信息

氧化铝(alo)陶瓷是一种重要的结构陶瓷,具有优异的耐磨性、耐腐蚀性等。采用alo陶瓷制备的机械零部件广泛应用于机械、化工和航空航天等领域。随着科学技术的不断发展,机械零部件的尺寸、形状变得更加复杂,且alo陶瓷脆性大,难以采用传统的机械加工方式加工。采用连接技术,连接小尺寸、形状简单的alo陶瓷可以获得形状复杂、尺寸大的alo陶瓷零部件。本论文以Bo-Sio连接材料为基础,设计三种不同类型的连接材料(Bo-Sio,Bo-Sio-Zn o和BC-Sio),开展了空气中alo陶瓷低压连接及性能研究。具体研究内容如下:以Bo-Sio作为连接材料,研究了Sio含量、连接温度以及保温时间对alo陶瓷接头物相成分、微观结构以及剪切强度的影响。连接时,Bo和alo反应生成alBo晶须能增强接头的力学性能,由于Bo易于挥发,接头中间层存在孔洞缺陷。添加一定的Sio能减少Bo的挥发,提高接头的致密度。当Bo和Sio的质量配比为1:0.5(BS0.5)时,在1000℃、保温2 h和施加30 k Pa压力的条件下连接alo陶瓷,接头的连接效果最佳,接头剪切强度达到107.6±25.3 MPa。接头强度与玻璃连接相当,而连接材料无需使用复杂的玻璃工艺制备,简化了连接工艺。基于BS0.5浆料,在浆料中加入不同质量配比的Zn o,研究了Zn o含量、连接温度以及保温时间对alo陶瓷接头物相成分、微观结构以及剪切强度的影响。浆料中的Zn o与alo发生反应,生成Zn alo结晶相,能在一定程度上强化接头的力学性能。当BS0.5和Zn o的质量配比为1:0.05时,在1100℃,保温1 h和施加30 k Pa压力的条件下连接alo陶瓷,接头的剪切强度达到106.4±12.9 MPa,连接后中间层产物有alBo晶须,Zn alo结晶相以及钙硼硅酸盐玻璃。以BC-Sio作为连接材料,研究了不同工艺参数(Sio含量、连接温度以及保温时间)对alo陶瓷接头物相成分、微观结构以及剪切强度的影响。引入BC替代Bo作为硼源,连接时BC氧化为Bo,能降低中间层内Bo的挥发速率,有利于提高接头的致密度,接头内的缺陷减少,剪切强度提升。当BC和Sio的质量配比为1:2时,在1000℃、保温2 h和施加30 k Pa压力的条件下连接alo陶瓷,接头的剪切强度为110.0±19.3 MPa。

关键词： al2o3陶瓷连接 al4B2o9晶须 Znal2o4结晶相微观结构

Sio2-al2o3-Bi2o3-B2o3-Cao高熵玻璃钎料连接al2o3陶瓷的研究

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SiO2-Al2O3-Bi2O3-B2O3-CaO高熵玻璃钎料连接Al2O3陶瓷的研究

作者：席亚斌太原理工大学

学位级别：硕士

alo陶瓷是一种在机械领域、航空领域、电子领域、精密仪器领域被广泛使用材料,但其加工困难,在大尺寸结构、复杂结构条件下使用受到限制,常常需要将其与其他材料焊接起来。高熵材料具有优异的力学性能、物理性能和化学性能,拥有广阔的... 详细信息

alo陶瓷是一种在机械领域、航空领域、电子领域、精密仪器领域被广泛使用材料,但其加工困难,在大尺寸结构、复杂结构条件下使用受到限制,常常需要将其与其他材料焊接起来。高熵材料具有优异的力学性能、物理性能和化学性能,拥有广阔的应用前景。针对目前常用的钎焊alo陶瓷的钎料为普通氧化物玻璃钎料的情况,本课题将高熵材料的概念和玻璃钎料相结合,制备了Sio-alo-Bio-Bo-Cao高熵氧化物玻璃钎料,研究了高熵玻璃钎料的热物理性质和其在alo陶瓷上的润湿行为,并采用高熵玻璃钎料成功实现了对alo陶瓷和铁素体不锈钢的连接,研究了工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。本课题对制备的Sio-alo-Bio-Bo-Cao高熵玻璃钎料相关性质进行了表征,通过XRD测试证明制备的玻璃钎料的衍射峰为非晶态,具有良好的玻璃化能力,通过DSC测试判断高熵玻璃钎料的玻璃化转变温度为530℃,软化温度为650℃,在室温到900℃的加热范围内没有明显放热峰,表明其析晶困难。研究了高熵玻璃钎料在alo陶瓷上的润湿行为。在700～880℃范围内,钎料的润湿角随着温度的升高降低,铺展半径随着温度的升高增加。在试验温度为700、760℃时,钎料在母材上的润湿为非反应性润湿,三相线处没有产物形成,润湿动力学模型属于惰性体系。在温度为820、880℃时,润湿为反应润湿,三相线处分别生成莫来石、钙长石,润湿动力学模型属于非惰性体系,最终在温度为880℃时润湿角和铺展半径分别为6°和7mm。使用高熵玻璃钎料对alo陶瓷之间进行了连接,研究了不同的工艺参数对接头组织和力学性能的影响。试验温度为700、750℃时,接头中没有产物形成,钎料内部存在气孔以及微裂纹现象,alo陶瓷和玻璃钎料之间以元素扩散和钎料向母材渗透的方式结合,接头剪切强度仅为27.82 MPa。当试验温度为800、850℃时,接头组织发生变化,一方面温度升高有利于接头内部气孔数量的减少和钎料向母材的渗透程度加剧,渗透深度可达7.44μm,另一方面,在接头中发现有Ca alSio相和富al相生成。研究发现接头中的气孔数量、大小和钎料向母材的渗入深度是影响接头强度的主要因素,接头中Ca alSio相的生成无法达到接头增韧的效果,最终在试验温度为800℃保温20min时接头剪切强度达到峰值为37.87 MPa。使用高熵玻璃钎料对不锈钢以及alo陶瓷、不锈钢进行了连接。在750℃保温20min的条件下,使用高熵玻璃钎料对不锈钢连接时,接头中钎料、母材以元素扩散的方式结合,界面没有新物质产生,接头强度可达16.15 MPa。在同样参数下使用该钎料对alo陶瓷、不锈钢连接时,由于两种母材、钎料的热物理性质不同导致接头产生残余应力,试样在冷却时发生断裂,无法形成可靠的接头。在玻璃钎料中添加中间层Cu箔后实现了两种材料的连接,中间层Cu箔与钎料界面处有Cu alo相产生,中间层的加入使接头中的残余应力由钎料和母材的界面处转移到Cu箔和钎料之间,起到了减小残余应力的作用,避免了试样断裂,但接头中仍有裂纹产生,剪切强度仅为3.1 MPa。

关键词：高熵玻璃钎料 Sio2-al2o3-Bi2o3-B2o3-Cao al2o3陶瓷润湿行为