Al2O3陶瓷反应金属化及其与铝合金扩散钎焊机理研究

本项目针对Al2O3陶瓷与铝合金高致密封接的迫切要求，提出Al2O3陶瓷先反应金属化再与铝合金扩散钎焊的新方法。以控制界面结构和降低残余应力为切入点，运用细观力学夹杂理论对反应金属成分进行设计计算，以实现接头性质的梯度过渡。深入分析活性元素与陶瓷的反应过程，综合考虑反应金属中其他组元的相互作用对界面反应的影响，阐明反应金属化陶瓷的结合机理，建立反应层成长的动力学方程。建立多元共晶体系扩散钎焊的物理模型，揭示铝合金溶解量的主控因素。按照Al2O3陶瓷/反应层/中间层/铝合金的结构形式，模拟计算接头残余应力分布的变化规律。以金属化外层金属的厚度与扩散钎焊中间层厚度之间的关系为桥梁，以控制陶瓷侧反应层厚度及铝合金母材溶解量、降低残余应力为目标，构建整个连接过程的控制方程组，实现工艺上可控参数的优化选择，获得高质量接头。本方法的提出，也为陶瓷与低熔点金属材料的高致密封接提供了新的思路。

本项目针对Al2O3陶瓷与铝合金高致密封接的迫切要求，提出了Al2O3陶瓷先反应金属化再与铝合金扩散钎焊的连接方法，研究接头形成机理，实现了接头成型的精确控制，获得了高质量的Al2O3陶瓷与5A05铝合金连接结构。 提出了反应金属的选择原则及方法。为获得良好的反应金属化质量，从材料设计和工艺控制两方面入手，设计反应金属成分，考察工艺参数的影响。确定了反应金属的添加形式为TiH2+AgCu共晶+B混合粉末，形成Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Ag(s.s)+Cu(s.s)+TiB+Ti-Cu化合物的反应金属化结构。建立了陶瓷侧反应层成长的动力学方程。获得了工艺上可控参数（如反应金属成分、添加量，反应金属化温度、时间等）与界面反应层及外层金属厚度之间的关系，为整个连接过程的控制迈出第一步。以5A05/AgCu/5A05为研究体系，建立5A05铝合金溶解量的数学模型。在共晶温度附近将Al-Cu-Ag三元体系处理为Al-AgCu伪二元体系。结合Al-Cu-Ag三元相图，得到了共晶温度附近Al元素浓度分布。根据扩散定律及物质的连续性方程，分析了5A05母材/AlCuAg液相界面和AlCuAg液相/AgCu中间层界面的移动，建立了5A05铝合金溶解量与扩散钎焊温度、保温时间以及中间层厚度的关系模型。在分析Al2O3陶瓷反应金属化以及5A05铝合金扩散钎焊的基础上，以反应金属化外层金属固溶体厚度与扩散钎焊所需中间层厚度之间的关系为桥梁，建立了整个连接过程的控制方程组。采用有限元数值模拟的方法，按照Al2O3陶瓷/反应层/中间层/铝合金的结构形式建立模型，计算接头的残余应力分布。提出了Al2O3陶瓷与铝合金高致密封接过程连接参数的优化原则及方法。对于本试验的结构件，合理的参数为：反应金属成分12wt.%Ti、2.3wt.%B，反应金属化温度880～900℃、反应金属化时间5～20min，扩散钎焊温度520～540℃、保温时间5～30min，实现了Al2O3陶瓷与5A05铝合金结构件的连接，接头成型良好。典型界面结构为Al2O3陶瓷/Ti3Cu3O/Al3Ti/α-Al+θ-Al2Cu+ ξ-Ag2Al+TiB/5A05铝合金。接头成型良好，漏气率达到项目预期目标，实现了高致密封接。本项目的完成也为陶瓷与低熔点金属材料的高致密封接提供了新的思路。