基于竞争反应调控的SiO2-BN复合陶瓷与金属钎焊机理研究

Based on the control of competitive reaction and design of interfacial structure, a new method by using composite interlayers consisting of active brazing foil/soft barrier interlayer/inactive brazing foil to braze SiO2-BN composite ceramic and metal substrate is proposed in this project. The wetting mechanism of liquid filler metal on the composite ceramic is studied by two reaction modes including wetting and electron beam evaporation assisted brazing after surface activation. The competitive reaction mechanism of the composite ceramic is revealed on atomic scale by HRTEM. The control equation of the growth of interfacial reaction layer is also established. The solution-diffusion model and thermodynamic model of activity coefficient calculation are established to analyze the dissolving behavior of the metal. Then, the composite interlayer is designed to optimize the interfacial structure of the brazed joint. By this method, the growth of reaction layer is controlled, and the dissolution of metal as well as the formation of brittle compounds are inhibited. Moreover, solid solution structure with excellent plastic deformation ability can form in the joint. As a result, it is beneficial to low-stress and high-performance bonding of composite and metal.

本项目基于复合陶瓷竞争反应调控和钎焊界面结构优化，提出一种采用“活性钎料层/软性阻隔层/非活性钎料层”构成的复合中间层钎焊SiO2-BN复合陶瓷与金属的新方法。通过设计“活性金属分离的润湿铺展”和“表面活化—电子束蒸镀辅助钎焊”两种界面反应模式，研究反应体系的润湿机理，在原子尺度上解明复合陶瓷两组元的竞争反应机制，建立界面反应层生长的动力学控制方程。通过构建“金属溶解扩散模型”和“反应体系活度系数计算的热力学模型”，揭示金属溶解过程的主控因素及其控制方法。采用这一新方法不仅能实现对复合陶瓷界面竞争反应生长的控制，而且可以抑制金属基体的溶解和脆性化合物的形成，得到塑性变形能力优异的固溶体组织，为复合陶瓷与金属的低应力、高性能钎焊连接提供一种新思路。

SiO2-BN陶瓷作为新一代导弹天线罩材料，在装配过程中陶瓷天线罩需要与金属环进行可靠连接。本项目采用活性钎焊方法实现SiO2-BN陶瓷与金属的可靠连接，基于液态钎料与陶瓷相互作用过程中的界面特征，通过中间层体系优化设计实现对钎焊接头界面组织的控制以及力学性能的提高。.首先，本项目设计了两种界面反应模式，研究了活性钎料与SiO2-BN陶瓷的界面反应。通过研究液态Ag-Cu/Ti钎料在SiO2-BN陶瓷表面的润湿铺展行为，揭示了活性元素Ti在反应润湿体系中的作用，并首次通过活性元素分离-高温截流试验阐述了反应驱动润湿的机制。在此基础上，采用Ag-Cu/Ti活性钎料分析了Invar/SiO2-BN体系的钎焊性，阐明了Ti含量、工艺参数对接头界面组织和性能的影响。两种母材固有的热膨胀系数差异产生的残余应力以及钎焊接头中脆性化合物的形成都弱化接头性能。.为了缓解接头的残余应力，设计h-BN颗粒增强的Ag-Cu-Ti + BN复合钎料体系。添加的h-BN颗粒与活性元素Ti反应形成TiB晶须和TiN颗粒联合增强的接头；同时Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的形成得到一定程度的抑制，接头的平均抗剪强度达到39MPa。基于Invar合金向液态钎料中的溶解机制，设计Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti软性复合中间层，实现Fe2Ti-Ni3Ti脆性化合物的抑制并缓解接头的残余应力。当Cu中间层的厚度为100μm时，接头的抗剪强度最大为43MPa。结合颗粒增强复合钎料和软性复合中间层的优点，设计Ag-Cu/Cu/Ag-Cu-Ti + BN软性-梯度中间层，实现脆性化合物的完全抑制，同时对陶瓷侧热膨胀系数的调节。采用有限元计算评价三种中间层体系钎焊Invar合金和SiO2-BN陶瓷接头的残余应力大小和分布，结果表明软性复合中间层缓解钎焊接头残余应力效果最好。.SiO2-BN陶瓷钎焊过程中只有h-BN参与了界面反应生成TiB2与TiN，未发现SiO2参与反应的迹象。基于竞争反应调控的思路，本项目首次提出了双活性元素体系，采用Nb金属作为母材，利用其向液态钎料中溶解并作为“第二”活性元素与SiO2相反应，增强了界面冶金连接强度，接头抗剪强度提高至48MPa。