TOP

SiC陶瓷连接的研究进展
2008-04-04 00:08:38 来源: 作者: 【 】 浏览:717次 评论:0

林国标1 黄继华1 毛建英2 李海刚2
(1北京科技大学材料科学与工程学院  100083  2 航天科技集团公司一院七0三所   100000)

    摘要:综述了不同种类的SiC陶瓷(含纤维强化的SiC陶瓷)与SiC陶瓷以及SiC陶瓷与金属连接的发展状况,介绍了主要连接方法、连接工艺、连接强度、反应产物等。
    关键词:SiC、连接

    前言
    碳化硅陶瓷具有优异的高温强度,良好的耐腐蚀、抗氧化及耐磨性能,是应用于高温场合的一种重要的材料,现已广泛应用于石油、化工、钢铁、原子能等领域。碳化硅陶瓷按制造方法分有多种,不同方法制得的碳化硅陶瓷力学性能也不一样,用热压法和烧结法制得的陶瓷力学性能较高,常加有一定量用以提高密度的氧化物反应助剂,两者比较,热压法的性能更高;反应烧结法制得的材料性能低于烧结法,含有一定量游离态的硅,密度较低;再结晶碳化硅材料的纯度高,没有加入反应助剂,晶粒粗大,孔隙度高,力学性能低。用纤维强化的碳化硅复合材料在保持SiC陶瓷优势的基础上, 较SiC陶瓷具有更好的强韧性,在航空航天和军工上具有重要的应用价值[1]。SiC类陶瓷硬度高,难加工,SiC类陶瓷之间的连接、SiC类陶瓷和金属之间的连接,对于SiC类陶瓷的应用非常重要的。关于SiC类陶瓷连接综述类文章较少,本文试图较详细地阐述近些年来国内外研究状况,以推动该工作发展。
    1 SiC陶瓷与SiC陶瓷、SiC陶瓷与金属的连接
    烧结SiC陶瓷、反应烧结SiC陶瓷、再结晶SiC陶瓷、纤维强化的SiC陶瓷中,研究较多的为烧结SiC陶瓷的连接。SiC陶瓷的连接包括陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属的连接。连接的方法主要有钎焊、扩散焊、反应连接等。
    1.1  钎焊
    钎焊可以连接陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属及纤维强化的SiC陶瓷,是使用比较多的方法,表1列出了钎焊连接的接头的性能,包括相互连接的母材、连接工艺及反应组织。钎焊所使用的钎料多为含Ti、Al等相对于SiC来说为活性元素的活性钎料,且多为合金化的箔状,焊接母材表面都经过磨加工甚至抛光等平整化处理,控制中间层的厚度,焊接时多加有一定的压力,以促使界面冶金反应的进行和焊料向陶瓷中的渗透。钎焊钎料中,Ag-Cu-Ti合金是连接SiC陶瓷比较好的钎料,钛的活度是铜和银的比值的函数,随Cu含量的增加, Ti活度系数减少, 随Ag含量的增加Ti活度系数增加, 加入Sn会减少Ti活度系数[25],加入In可降低熔点,形成的Ag-Cu-In-Ti也是一种较好的活性钎料,可在较低温度焊接陶瓷[26]。加入Sn的Cu-16.5at%Sn-5.5at%Ti,具有比相应的Cu-Ti合金更低的熔点,连接的SiC陶瓷具有较高接头强度[27]。为了提高接头的高温强度,需要生成化合物强化相,如表中所示的接头中生成相TiC等。
    1.2  扩散焊
    在陶瓷连接中,除了钎焊外,另一常用方法就是扩散焊。表2列出了扩散焊连接的接头性能及连接工艺。由表2可见,扩散焊所使用的焊料多含Ti、Nb、Zr、Al等相对于SiC来说为活性的元素,扩散焊所用的母材焊接面、中间层表面均需抛光处理,需要较高的压力,使得焊接表面和中间层紧密接触,接触面原子相互扩散而形成牢固的冶金结合。扩散焊分为固相扩散焊和瞬时液相扩散焊,多为固相扩散焊,瞬时液相扩散焊如表中所列的用铝箔连接反应烧结SiC,由于陶瓷中有游离态Si,Si溶解到Al中形成Al-Si合金液相并进入陶瓷基体,当高温或长时间保温或非常慢冷却,从Al-Si过渡液相中形成熔点远高于连接温度的固态纯硅连接层[16]。
                             表1钎焊连接SiC陶瓷的工艺及接头性能


 
    注:除注明气氛外,均为在真空下焊接;sb弯曲强度,t剪切强度,未注明测试温度均为室温强度。

                       表2  扩散焊连接SiC陶瓷的工艺及接头性能


 
    注:表中除注明气氛外,均为在真空下焊接;sb弯曲强度,t剪切强度,未注明测试温度均为室温强度。
    除了表2中所列外,用于扩散焊的钎料还有Ni基钎料,用添加适量的高纯硅的镍箔真空扩散焊SiC/TC4,可以获得气密性很好的接头[28];Si能抑制Ni与SiC间的过度反应,形成的Ni-Si合金对SiC陶瓷有较好的润湿性[29];将SiC陶瓷表面用Cr粉高温反应形成一层Cr5Si3C, 也有利于阻碍Ni/SiC陶瓷间的过度反应[30]。
    1.3  反应连接
    反应连接主要结果见表3所示。反应连接是从SiC反应合成中发展起来的一种连接技术,一种研究得比较成功的反应连接技术是ARCJoinT(Affordable, Robust Ceramic Joining Technology)工艺, 它是由美国NASA的 Lewis研究中心研制成功的新型陶瓷连接技术。如表3所列,用该工艺已成功连接烧结SiC、反应烧结SiC,具有迄今最高的高温连接强度。工艺过程为:首先把含碳混合物放置到待连接区域, 这些碳质混合物用夹具固定住, 在100~120℃温度下固化10~20min以便把连接件固化在一起,把硅或硅合金(作为浸渗剂)以片状、膏状和浆状形式放到接头区域周围, 然后加热到 (根据浸渗剂的类型) 1250~1425℃保温10~15min, 融熔硅或硅-难熔金属合金与碳反应, 生成碳化硅及含量可控的硅和其他相而形成接头。连接前样品表面经抛光处理,接头的厚度通过调节膏状含碳混合物的性能和夹持的压力进行调整。接头的强度与接头的厚度、组织、被连接材料的材质有关,与基体陶瓷强度比较,连接反应烧结SiC的效果要好于连接烧结SiC陶瓷;薄的反应层接头(<50-55mm)的强度高。用该技术连接的接头强度在空气中可维持到1350℃,如表中数据所示,随着测试温度的升高,接头的强度甚至有所提高, 这可能与温度升高内部缺陷的修复有关[7-10]。用该方法可以连接SiC纤维强化的SiC陶瓷(SiCf/SiC)与SiCf/SiC,以细碳粉加SiC混合粉或碳布预置在焊缝中,在1480℃熔融的Si真空渗透反应,获得显微结构致密的接头[33]。
    另一种反应连接技术,是用含Si、C的聚合物作为SiC先驱体来连接SiC陶瓷或纤维强化的SiC陶瓷, 如表中所列用GE SR350硅树脂作为陶瓷前躯体连接反应烧结的SiC陶瓷[18];用该树脂也可实现对SiCf/SiC陶瓷的连接,通过在较低温度下加压固化,在900-1200℃氩气氛中保温1h发生裂解反应导致连接[34];用甲基羟基硅烷作为先驱体也可连接SiC陶瓷或SiCf/SiC陶瓷, 经200℃固化和1200℃连接处理, 获得Si-O-C玻璃连接相, 连接的a-SiC陶瓷的强度为37Mpa,连接的SiCf/SiC陶瓷的强度为3-15Mpa [35]。以PCS (popolycarbosilane)和AHPCS (allylhydrid opopolycarbosilane)聚和物作为SiC的先驱体[36]。利用气体先驱体和高能量激光技术(SALD)焊接SiC陶瓷, 气体先驱体为[TMS, Si(CH3)4]、H2, 或者为[MTS, SiCH3Cl3]、SiH4、CH4,使用高能量激光束诱导真空室中气体的热分解反应, 产生固态产品沉积在激光加热的焊缝区域[37]。
                       表3:反应连接SiC陶瓷的工艺及接头性能

    注: sb弯曲强度,t剪切强度,未注明测试温度均为室温强度。
    1.4  SHS反应法
    用Ti、C、Ni粉自蔓延燃烧高温合成的方法焊接SiC陶瓷[31-33],也有将该方法归于钎焊,反应可表示为:Ti+C+Ni ?TiC+Ni,Ti+C是放热反应, Ni与Ti形成的液相可降低纯Ti+C粉混合物的起始反应温度,有助于致密化, 一旦反应开始就比较容易完成,反应完成后的显微组织为相互连接的TiC颗粒被富Ni的基体所包围。用该法连接的SiC陶瓷与SiC陶瓷,从显微组织分析来看,接头的连接层内有孔隙和裂纹[33]。
    1.5  接头的强度与SiC陶瓷母材材质的关系
    连接的强度除了与连接工艺技术有关外,与SiC陶瓷母材材质有关,如用同样工艺连接的反应烧结碳化硅接头弯曲强度平均值为107.53Mpa,而连接的含有18%的气孔率重结晶碳化硅强度低[17];用含Si、C的聚合物作SiC先驱体分别反应连接SiCf/SiC陶瓷和相应SiC陶瓷[35] [34],用72Ag-26Cu-2Ti合金箔真空连接Cf/Si3N4陶瓷和相应Si3N4陶瓷 [38],均发现复合材料接头强度低于同等工艺连接的无纤维强化陶瓷的连接强度,分析是由于从单纯材料到复合材料开通的孔隙增加造成的[34];并且,复合材料接头强度具有较大分散度, 其原因主要是不同接头的陶瓷基纤维强化复合材料中缺陷与连接面的距离不同, 及连接面的纤维分布不均匀[38];焊接接头的结合面垂直于纤维方向连接的强度高于平行于纤维方向连接强度[39]。
    1.6  SiC陶瓷与金属接头残余应力的缓解
    比较SiC陶瓷之间的焊接,SiC陶瓷与金属之间的焊接更加困难,这是由于陶瓷与金属热膨胀系数和杨氏模量的差别,在冷却过程中,容易产生较大的热应力,连接更为困难。同样的焊料与工艺能够焊接陶瓷与陶瓷,但不一定能焊接陶瓷与金属,如用Ti、C、Ni粉在1000℃ ′5min、真空下,能够对再结晶SiC陶瓷之间进行连接,但焊接SiC陶瓷与Ni基高温合金时, 由于热应力原因,在陶瓷近缝区有微裂纹[31]。降低金属与陶瓷接头热应力办法有:加入金属夹层、使用梯度中间层。
    通过金属夹层的塑性变性和蠕变变形可缓解接头的残余应力,如用0.15mm左右的(Cu85Ni15)80Ti20活性钎料片在1100℃′10min真空钎焊Si3N4陶瓷/In718(一种沉淀强化Ni-Cr高温合金),四点弯曲强度仅为11MPa, 断裂发生在陶瓷的近缝区,在焊料中加入0.45mm的Ni片,强度最高可达103Mpa[39]。使用含金属夹层分别为铜、镍、碳化硅纤维强化铝基复合材料的Ag-Cu共晶钎料在氩气气氛中焊接纤维强化的复合材料——Si3N4f/堇青石(2MgO· 2Al2O3· 5SiO2)与CT4钛合金或不锈钢,获得了较高的剪切强度 [40]。采用用多层金属夹层,在陶瓷一侧施加低热膨胀系数、高弹性模量的金属,而在金属一侧施加塑性好的软金属,这样可充分发挥不同金属中间层的特性来适应陶瓷与金属接头的热变形, 更好的降低接头的残余应力,但多层金属的层数也不能过多, 否则会因层间的结合性能而影响接头的性能及其稳定性。如用Cu5-25wt%Ni16-28 wt%Ti-少量Si、B钎料在1080℃′10min钎焊Si3N4/Si3N4陶瓷, 预置钎料层厚度为40μm时, 接头室温三点弯曲强度达最高值402Mpa,但钎焊陶瓷与金属Si3N4/ 1.25Cr-0.5Mo钢时,获得的接头强度近似为零,采用1.25Cr-0.5Mo钢(0.2mm)/W(2mm) / Ni (0.2mm) 的缓冲层结构放入钎料之间, 其中Ni层靠近金属侧, 接头强度达261MPa [41]。
    分析可知,扩散焊使用的是金属和合金箔片,未完全扩散反应掉而保留下来的金属或合金层同样可起到缓解接头残余应力的作用。
    使用梯度中间层,与多层金属设计模式类似。如利用TiC的线膨胀系数较小, 使用多层不同成分(Ni+Ti+C)粉末压片,按设计的SHS反应后TiC含量呈梯度变化过渡层形式叠放,连接SiC陶瓷与GH-4169高温合金, 在1150℃~1200℃、保温时间15~30min、压力20~40MPa下, 粉末起反应,形成了靠近SiC陶瓷一侧主要为金属陶瓷TiC?另一侧主要为Ni, 中间呈连续平缓变化的过渡层[32]。分析表明可缓和界面附近热应力。
    2结束语
    综上所述,烧结SiC和反应烧结SiC的连接研究比较充分,尤其用ARCJoinT反应连接技术连接陶瓷与陶瓷,获得了很高的性能,国内这方面尚有差距;而再结晶SiC和纤维强化SiC陶瓷的连接,研究尚不充分性能也较低,关于纤维强化SiC陶瓷与金属的连接目前还鲜有资料报道。钎焊和扩散焊是连接SiC陶瓷之间或陶瓷与金属的常用办法,用扩散焊可获得较高的连接强度,而钎焊形成的液相在冷却凝固过程中体积收缩,可能会产生较大的热应力,且扩散焊未完全扩散反应掉而保留下来的金属层可起到缓解接头应力的作用。自蔓延燃烧法在连接陶瓷与陶瓷时获得了应用,由于致密度不高有待进一步发展;反应连接技术适合连接陶瓷与陶瓷,其中的聚合物裂解法强度不高。

参考文献
1. 张建艺. 陶瓷基复合材料在喷管上的应用[J]. 宇航材料工艺, 2000, (4): 14-16
2. 刘会杰, 冯吉才, 饯乙余. SiC陶瓷与TiAI基合金扩散连接接头的强度及断裂路径[J]. 焊接, 2000, (3):13-17
3. 深井卓, 刘玉莉, 奈贺正明. 用Fe-Ti合金扩散连接SiC陶瓷[J]. 焊接学报, 1998, 19(2): 93-97
4. 冯吉才, 刘会杰, 韩胜阳, 等. SiC/Nb/SiC扩散连接接头的界面构造及接合强度[J]. 焊接学报, 1997, 18(2): 20-23
5. 刘玉莉, 冯吉才, 奈贺正明. 用Ti-Co合金液相扩散连接SiC陶瓷[J]. 哈尔滨工业大学学报, 1998, 30(6): 61-65
6. Jonas Kofi Boadi, Toyohiko Yano, Takayoshi Iseki. Brazing of pressureless-sintered SiC using Ag-Cu-Ti alloy[J]. Journal of Materials Science, 1987, 22: 2431-2434
7. M. Singh, Microstructure and mechanical properties of reaction-formed joints in reaction-bonded silicon carbide ceramics[J]. Journal of Materials Science, 1998, 33: 5781-5787
8. M. Singh, Ceramic joining technology[J]. Advanced Materials & Process, 1998, (10): 89-90
9. M Singh. A reaction forming method for joining of silicon carbide-based ceramics[J]. Scripta Materiali, 1997, 37(8):1151-1154
10. M Singh. Joining of sintered silicon carbide ceramics for high-temperature application[J]. Journal of Materials Science letters, 1998, 17: 459-461
11. Fujio Tamai, Masaaki Naka. Microstructure of interface of SiC/Cu-Ag-Ti/Cu, Ni[C]. Proceeding of Designing of Interfacial Structures in Advanced Materials and Their Joints, Japan, 2002: 634-639
12. 刘会杰, 李卓然, 冯吉才, 等. SiC陶瓷与TIAl合金的真空钎焊[J]. 焊接, 1999(3): 7-1
13. 刘会杰, 冯吉才, 钱乙余, 李卓然. SiC陶瓷与TC4钛合金反应钎焊的研究[J], 焊接, 1998, (11):22-25
14. Toshihiro Yamada, Motohiro Satoh, Akiomi Kohno, Kazuaki Yokoi. Residual stress estimation of a silicon carbide-kovar joint[J]. Journal of materials science, 1991, 26: 2887-2892
15. 金朝阳, 陈铮, 顾晓波, 等. 用铝基钎料钎焊SiC陶瓷及其在SiC陶瓷表面浸润性的研究[J]. 华东船舶工业学院学报(自然科学版), 2001, 15(2):12-16
16. A. C. Ferro, B. Derby. Liquid phase bonding of siliconized silicon carbide[J]. Journal of Material science, 1995, 30: 6119-6135
17. 李世斌, 吕振林, 高积强, 等. 反应粘接碳化硅材料接头的研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2003, 26(1): 51-54
18. P. Colombo, V. Sglavo, E. Pipple, J. Woltersdorf. Joining of reaction-bonded silicon carbide using a preceramic polymer[J]. Journal of Materials Science, 1998, 33: 2405-2412
19. 张建军, 李树杰, 段辉平, 等. 工艺参数对SiC陶瓷热压反应连接强度的影响[J]? 稀有金属材料与工程, 2003, 32(7): 542-545
20. 冀小强, 李树杰, 马天宇, 等. 用Zr/Nb复合中间层连接SiC陶瓷与Ni基高温合金[J]?硅酸盐学报, 2002, 30(3): 305-310
21. 童巧英, 成来飞, 张立同. 二维C/SiC复合材料连接的显微结构与性能[J]. 材料工程, 2002, (11): 14-17
22. A.Riccardi, C.A. Nannetti, T. Petrisor, et. al. Low activation brazing materials and techniques for SiCf/SiC composites[J]?Journal of Nuclear Materials, 2002, 307–311: 1237–1241
23. M. Ferraris, M. Salvo, C. Isola, et. al. Glass-ceramic joining and coating of SiC/SiC for fusion applications[J]. Journal of Nuclear Materials, 1998, 258-263: 1546-1550
24. Yutai Katoh, M. Kotani, A. Kohyama, et. al. Microstructure and mechanical properties of low-activation glass-ceramic joining and coating for SiC/SiC composites[J]. Journal of Nuclear Materials, 2000, 283-287: 1262-1266
25. Li Rongti, Pan Wei , Chen Jian, et. al. Thermodynamic properties of Ti in Ag–Cu–Ti alloys[J]? Materials Science and Engineering, 2002, A335: 21–25
26. Howard mizuhara. Vacuum brazing ceramics to metals[J]. Advanced Materials& Process, 1987,131(2): 53-55
27. Shigeo Urai, K. Maeda, S. Nakade, et. al.  Brazing of SiC with Cu-Sn-Ti-Al filler metal[J]. Proceeding of Designing of Interfacial Structures in Advanced Materials and Their Joints, Japan, 2002: 640-644
28. 陈明和, 张中元, 余亚平. TC4/SiC扩散焊接工艺研究[J]? 科技成果·学术论文, 2000, (1):22-24
29. C. Rado, S. Kalogeropoulou, N. Eustathopoulos. Wetting and bonding of Ni-Si alloys on silicon carbide[J]?Acta mater. 1999, 47(2): 461-473,
30. K. Bhanumurthy, R. Schmid-Fetzer. Solid-state reaction bonding of silicon carbide (HIP-SiC) below 1000C[J]. Materials Science and Engineering, 1995, A220: 35-40
31. 李树杰, 刘深, 段辉平, 等. SiC陶瓷/SiC陶瓷及SiC陶瓷/Ni基高温合金SHS焊接中的界面反应及微观结构研究[J]. 硅酸盐学报, 1999, 27(6): 757-762.
32. 孙德超, 柯黎明, 邢丽, 等. 陶瓷与金属梯度过渡层的自蔓延高温合成[J]. 焊接学报, 2000, 21(3): 44-47
33. B. H. Rabin. Joining of fibre-reinforced SiC composites by in situ reaction methods [J]. Materials Science and Engineering, 1990, A130: L1-L5
34. E. Pippel, J. Woltersdorf, P. Colombo, et. al.  Structure and composition of interlayers in joints between SiC bodies. Journal of the European Ceramic Society, 1997, 17: 1259-1265
35. P. Fenici, A.J. Frias Rebelo, R.H. Jones, et. al. Current status of SiC/SiC composites R&D[J]? Journal of Nuclear Materials,258-263 (1998):215-225?
36. Jing Zhen, Beckman, Scott P., et. al. X-ray tomography study on green state joining silicon carbide using polymer precursors[J]. Journal of the American ceramic society, 2001, 84(9)
37.S. Harrisonu, H.L. Marcus. Gas-phase Selective Area Laser Deposition SALD joining of SiC[J]?Materials and Design, 1999, 20: 147-152
38. M. Nakamura, I. Shigematsu. Joining of carbon fiber-reinforced silicon nitride composites with 72Ag-26Cu-2Ti filler metal[J]. Journal of Materials Science, 1996, 31: 4629-4634
39. 邹家生, 翟建广, 吴斌, 等. Cu-Ni-Ti钎料连接Si3N4/In718接头强度及断裂分析[J]. 焊接技术, 2003, 32(3): 8-11
40. D. G. Dixon. Ceramic matrix composite-metal brazed joints[J]. Journal of Materials Science 1995, 30: 1539-1544
41. 熊华平, 李晓红, 毛唯, 等?Cu-Ni-Ti系合金钎料对Si3N4陶瓷自身及其与金属的连接研究[J]. 材料科学与工艺, 1999, 7: 148-15.

您看到此篇文章时的感受是:
Tags:陶瓷 连接 研究进展 责任编辑:流苏

】【打印繁体】【投稿】【收藏】 【推荐】【举报】【评论】 【关闭】 【返回顶部
上一篇摩擦焊技术发展与展望 下一篇焊条型号大类与焊条牌号大类对照表

最新热帖

评论

帐  号: 密码: (新用户注册)
验 证 码:
表  情:
内  容:

php168-->

推荐文章

相关栏目

图片主题

热门文章

最新文章

相关文章

竞价广告位