简介概要

SiC陶瓷与镍基高温合金的热压反应烧结连接

来源期刊：稀有金属1999年第5期

论文作者：张永刚党紫九段辉平刘深刘登科张艳李树杰

关键词：陶瓷/金属连接; 焊接; 应力;

摘要：采用Ti-Ni-Al金属复合焊料粉末, 利用Gleeble 1500热模拟机以自阻加热方式对镍基高温合金和SiC陶瓷进行热压反应烧结连接研究, 获得了强度为70 MPa (Φ10 mm×50 mm圆棒非标准试样, 四点抗弯强度) 的焊接件. 微观结构分析表明铝可以通过渗透到陶瓷的非封闭孔隙中或与陶瓷发生界面反应而形成比较牢固的接头. 分析了焊缝区焊料中的孔洞对缓解焊接应力的作用.

稀有金属 1999,(05),326-329 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.05.002

ＳｉＣ陶瓷与镍基高温合金的热压反应烧结连接

李树杰张永刚刘深张艳党紫九刘登科

北京航空航天大学材料科学与工程系!北京100083,北京航空航天大学材料科学与工程系!北京100083,北京航空航天大学材料科学与工程系!北京100083,北京航空航天大学材料科学与工程系!北京100083,北京科技大学新金属材料国家重点实验室!北京100083,北京科技大学新金属材料国家重点?

摘要：

采用Ｔｉ Ｎｉ Ａｌ金属复合焊料粉末，利用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００热模拟机以自阻加热方式对镍基高温合金和ＳｉＣ陶瓷进行热压反应烧结连接研究，获得了强度为７０ＭＰａ（ Φ１０ｍｍ ×５０ｍｍ圆棒非标准试样，四点抗弯强度）的焊接件。微观结构分析表明铝可以通过渗透到陶瓷的非封闭孔隙中或与陶瓷发生界面反应而形成比较牢固的接头。分析了焊缝区焊料中的孔洞对缓解焊接应力的作用。

关键词：

陶瓷;金属连接;焊接;应力;

中图分类号： TG456.9

收稿日期：收稿日期: 1998 - 09 - 07

基金：中国航空科学基金;

Investigation on Welding Process of SiC Ceramic with Ni based Superalloy Using Gleeble 1500 Thermo mechanical Testing Machine

Abstract：

Abstract: A successful joining of SiC ceramic to Ni based superalloy was achieved using Ti+Ni+Al powders as the welding material and employing Gleeble 1500 thermo mechanical testing machine. The strength obtained by bending test (4 points bending strength test with Φ 10 mm×50 mm non standard specimens) is 70 MPa. Microstructural analysis shows that Al element can permeate into the open pores of SiC ceramic or react with the ceramic at the interface to form a firm bonding. A model to describe the relaxation of the residual stress of the pores existing in the welding layer was proposed.

Keyword：

Ceramic/Metal Joining; Welding Stress;

Received： 收稿日期: 1998 - 09 - 07

随着对陶瓷的研究以及制备、成型工艺的发展, 陶瓷结构件在现代工业、军事装备和民品中的应用越来越广泛, 但是阻碍结构陶瓷得以广泛应用的主要原因是陶瓷与金属的连接问题。由于陶瓷与金属的热膨胀系数相差悬殊以及两种材料结构上的不匹配, 使得两者的高温连接很困难。通常出现的情况是由于焊接残余热应力的作用, 在陶瓷的近缝区出现裂纹。

关于陶瓷与金属的连接方法, 研究较多的是活性金属钎焊 ^[1,2] 和自蔓延高温合成焊接 ^[3,4] , 所用的材料尽可能选择热膨胀系数相差较小的金属和陶瓷, 以减少热应力。活性钎焊连接方法常采用Ag-Cu-Ti作为焊料, 而自蔓延高温合成焊接则是一种较新的连接工艺。

本文选择在航空航天领域最有应用前景的SiC陶瓷和镍基高温合金 (GH128) 作为焊接母材, 利用Gleeble 1500热模拟机进行焊接实验。由于两者之间的热膨胀系数相差较大 (SiC室温线膨胀系数为 (4～5) ×10^-6/℃ ^[5] ) , 它们之间的连接更具有挑战性。

1 实验方法及工艺

选择适当配比的100～200目的Ti-Ni-Al金属粉末, 充分混合均匀后冷压成Φ10 mm× (1～1.5) mm的生坯作为焊料, 压制压力为670 MPa。把焊接端面经过抛光和清洁的再结晶SiC陶瓷和GH128镍基高温合金 (尺寸均为Φ10 mm×25 mm) 与焊料装在石墨模具中, 在Gleeble 1500热模拟机上进行焊接实验。由于SiC陶瓷不导电, 因此把陶瓷装入石墨模具中, 利用石墨模具通电发热来加热陶瓷和焊料, 引发反应。用热电偶测量焊接温度 (如图1所示) , 模具的阴模上有一个Φ2 mm的孔, 热电偶从该孔插入, 达到焊料的表面, Gleeble 1500热模拟机的控温精度为±1℃。应该指出, 采用自阻加热方式, 在试样的不同部位, 特别是沿径向存在一定的温度梯度, 此温度梯度与试样的形状和物理性能、模具的形状和物理性能、升温速率、保温温度、保温时间、炉内气氛等多种因素有关。本文所报道的焊接温度是指图1所示的热电偶的指示温度。利用Gleeble 1500的自动控制装置控制焊接压力、升温速率和冷却速率, 进行焊接实验的背底真空度为0.4 Pa。

图1 实验原理图

焊接实验采用的典型实验参数及工艺规范如图2所示。由于标准试样加工困难, 采用非标准试样进行四点抗弯力性测试, 试样为Φ10 mm× (51±0.5) mm的圆棒形非标准试样, 压头间距为10 mm, 试样支座间距为30 mm。强度值根据圆形截面梁弯曲剪应力 ^[6] 计算公式计算。利用SEM和EDX观察界面形貌及分析成分。

图2 实验参数曲线

2 结果及讨论

2.1 焊接温度对焊接组织的影响

焊接温度是焊接成功与否的一个关键因素, 温度高有利于焊料本身发生反应及与母材的焊接端面发生界面反应, 从而提高焊接强度。对于由Ti-Ni-Al金属粉末组成的焊料, 由于有铝元素存在, 焊接温度不能高于铝的熔点, 否则熔化的铝液将被挤压出来, 导致焊接失败。焊接温度主要影响焊料中产生的液相的含量, 温度过低时不可能实现焊接。

图3是同样配方的焊料在不同焊接温度下反应后的形貌, 图3 (a) 、 (b) 的焊接温度分别为600℃和610℃。温度较高, 焊料反应产物的致密性较好, 产物中几乎没有孔洞; 而焊接温度较低的焊料产物, 均匀分布着尺寸较小的孔洞。这主要是温度不同, 使产物中液相的含量不同而致。这也可从焊接过程中Gleeble压头所发生的位移大小得到证明。当出现较多的液相时, 反应产物比较致密, 如图3 (b) 所示, Gleeble压头有明显的位移, 否则没有位移, 反应产物致密性较差, 如图3 (a) 所示。值得注意的是虽然铝的熔点为660℃, 但在实验温度下也出现了液相, 这与粉末体中颗粒之间部分接触点过热有关。

图3 反应后焊缝区焊料的SEM形貌

2.2 焊缝区界面形貌

对于选用的Ti-Ni-Al焊料, 各组元都可与SiC陶瓷发生反应 ^[7] , 形成一个界面过渡层。由于镍基高温合金本身含有活性元素镍, 因此与焊料的连接较为容易。图4是焊接件焊缝区的形貌, 左边为SiC陶瓷, 中间为焊料, 右边为镍基高温合金。可见, 焊料与镍基高温合金和SiC陶瓷都形成了结合紧密的界面。在焊接件的近缝区不出现裂纹。

图4 焊缝区界面形貌的二次电子像

2.3 界面反应及焊接机理

本文的主要目的在于研究铝与陶瓷的反应特性。 Iseki等人 ^[8] 的研究成果表明在铝熔化后可以与SiC陶瓷润湿, 在界面反应生成Al₄C₃, 但其它的三元碳化物不能确定。图5是焊缝区焊料与陶瓷的界面形貌。左边为焊料, 右边为SiC陶瓷, 图下边的曲线为铝、硅成分的分布曲线。从图中可以看出, 在界面处有一成分过渡区, 其厚度约为1 μm。过渡区的位置偏SiC陶瓷一侧, 因此过渡区的形成主要是由于焊料中的铝原子向SiC陶瓷中扩散引起。这与以共价键为主的化合物的扩散系数较低是一致的。由于陶瓷晶界含有非晶相, 焊料中的铝还可以通过陶瓷中的空隙或晶界扩散到陶瓷中的多边形晶界, 参与反应, 如图6所示。通过能谱分析, 图6中A点处铝与硅的原子百分含量之比为0.62。另外, 由于熔融铝可以通过毛细管作用渗透到SiC陶瓷中, 除参与反应外, 冷却后还可以起到机械咬合作用, 如图7所示, 这对提高焊接强度有利。

在焊料与镍基高温合金的界面处, 焊料中的铝与高温合金中的各组元可以发生互扩散, 表1列出了在靠近界面处的焊料 (A) 和高温合金 (B) 的成分。

2.4 焊接温度对焊接强度的影响

从前面的分析可知, 镍基高温合金与SiC陶瓷的连接主要通过下述两种机制来实现: 其一, 母材与焊料之间发生界面扩散而形成界面反应层; 其二, 焊料中的液相通过毛细管渗透作用渗入SiC陶瓷的孔隙中, 冷却后产生界面机械咬合作用。因此温度是决定焊接强度的一个主要因素。一般说来, 温度越高, 焊接强度应该也越高。但通过实验发现, 对于Ti-Ni-Al焊料体系, 并非如此, 而是存在一个理想的温度范围。当温度低于该温度范围时, 由于不能发生界面反应, 铝粉末也不能熔化, 在有限的时间内不可能实现成功的焊接。当温度高于此温度范围时, 焊料中的铝粉末大量熔化, 既能引起较为强烈的界面反应, 也能引起毛细管渗透, 但在焊接件冷却过程中, 陶瓷中靠近焊缝区约1 mm处要诱发裂纹而断裂。图8列出了焊接温度对焊接强度的影响 (图中×表示焊接失败) 。采用非标准试样的四点抗弯强度试验表明焊接件的最高强度为72 MPa, 其强度值达到陶瓷强度值的80% (为了比较, 采用相同尺寸的SiC陶瓷试样和同样的方法进行强度测试) 。在温度高于600℃条件下制备的试样在SiC陶瓷靠近焊缝区约1 mm处断裂, 而温度低于600℃时, 可在焊料中或焊料与金属的界面处断裂。从图中可以看出, 理想的焊接温度约为595℃≤T≤610℃, 准确控制焊接温度是实现成功焊接的关键。温度高, 焊料中出现较多的液相对焊接不利。原因可能是焊缝区焊料中的微小空洞对冷却过程中产生的残余热应力起到了决定性的缓解作用。

图5 陶瓷/焊料界面的二次电子象及铝和硅的成分分布曲线 (线扫描)

图6 铝在陶瓷中的渗透

图7 焊料与陶瓷的机械咬合作用

表1 焊料 (A) 和高温合金 (B) 在界面处的原子数分数/at%

元素	Al	Ti	Cr	Ni	Mo	W

A	81.51	6.13	3.99	7.6	0.42	0.35
B	1.54	0.63	23.28	68.08	4.06	2.4

图8 焊接温度对焊接强度的影响

图9描绘了焊料中微小空洞对于缓和焊接残余热应力的作用。由于焊料中有孔洞, 不妨把其视为一个烧结体。由于烧结体的膨胀系数较小, 高温合金的膨胀系数较大, 因此在焊接件的冷却过程中, 焊料受到压应力的作用。越靠近高温合金, 压应力越大。对于一些封闭型的空洞, 由于焊接过程是在低真空下进行的, 因此空洞中的压力较小, 在压应力的作用下, 很容易变形来缓解应力; 对于一些开口型的空洞, 其变形机理类似, 但其缓解应力的能力比闭孔更强。这些孔洞可以通过变形而消失。因此, 由于孔洞的作用, 高温合金在冷却过程中收缩较快而产生的热应力可以被焊缝区的焊料通过变形来缓解, 同时由于焊料与陶瓷的热膨胀系数相差较小, 陶瓷与焊料界面处的热应力较小, 一旦产生了足以使孔洞变形的应力, 也可以由其变形得到缓解或消除。

图9 孔洞缓解残余热应力的过程

3 结论

采用Ti-Ni-Al金属粉末可以成功地焊接SiC陶瓷和镍基高温合金, 焊接温度是重要的工艺参数。控制焊接温度, 使焊料产生一定的液相, 并在界面发生反应是焊接的必要条件, 但在焊接过程中, 不能在焊料中出现过多的液相。当焊接温度为600℃时, 焊接强度最高。在陶瓷与焊料的界面处, 主要通过焊料中的铝扩散到陶瓷中来实现界面反应。

焊缝区焊料中产生细小的孔洞能有效地缓解焊接残余热应力。