使用功能梯度钎料连接氮化硅与耐热钢的机理研究

针对结构陶瓷与金属连接接头中，残余应力始终是制约接头性能提高的重要因素，本项目首次提出利用带有活性的功能梯度材料作为钎料进行陶瓷与钢连接的设计思想。以残余应力最小为原则，进行功能梯度活性钎料的结构设计，研究功能梯度钎料的体系设计、成分梯度、层数、厚度、钎焊工艺参数等因素对Si3N4－耐热钢连接接头的微观组织、室温及高温力学性能、耐热性、应力场分布的影响规律，探索实现陶瓷－耐热钢高品质连接的有效途径，揭示使用功能梯度活性钎料连接陶瓷－钢的连接机理，建立Si3N4陶瓷－FGM钎料－耐热钢接头应力场模型，探索有效降低接头残余应力的措施，为丰富和发展陶瓷－金属连接理论奠定基础。

氮化硅陶瓷是一种常用的结构陶瓷，研究该类陶瓷的连接具有重要的理论意义和实用价值。本研究通过向Ag-Cu-Ti钎料中添加一定体积分数的低热膨胀系数金属或陶瓷颗粒（SiC、Mo、WC和TiN）构成复合钎料，以降低钎料的热膨胀系数，达到降低接头内部的残余应力水平，提高接头的性能的目的。研究发现，无论向Ag-Ci-Ti钎料中添加上述何种颗粒，均提高了接头的力学性能。DIC研究表明，添加颗粒后引起接头内宏观残余应力水平的降低；钎料层内发生早期的塑性变形导致微观残余应力水平的下降；颗粒的增强效应共同作用，是接头的性能提高的原因。.　　当采用Ag-Cu-Ti+SiCp复合钎料连接Si3N4陶瓷时，当钎料成分为(Ag72Cu28)92Ti8+5vol.%SiCp，在900℃保温10min条件下，接头达到最高三点弯曲强度506.3MPa。钎缝内Ti与SiCp的反应逐步进行，先生成Ti3SiC2和Ti5Si3；当SiCp完全分解后，Ti3SiC2继续与Ti反应生成TiC和Ti5Si3。　　. 使用Ag-Cu-Ti+Mo复合钎料连接Si3N4陶瓷时，Ag基和Cu基固溶体组织构成钎缝的主体组织，在两类固溶体上弥散分布着Mo颗粒及Ti-Cu金属间化合物。采用Ag-Cu-Ti+Mo复合钎料连接Si3N4陶瓷和42CrMo钢，发现当钎料内Mo含量为10vol.%，Ti含量为4wt.%时，得到了最高的接头连接强度587.3MPa，是采用合金钎料连接接头性能的5.1倍。.采用Ag-Cu-Ti+TiNp复合钎料钎焊Si3N4陶瓷和42CrMo钢，接头的四点弯曲强度随复合钎料中TiNp体积分数的增加先增加后降低。使用(Ag72Cu28)96Ti4 +5vol.%TiNp钎料，在900℃保温5min时，接头的四点弯曲强度达到最高值376.11MPa，较未添加TiNp的钎焊接头性能提升了近一倍(187.98MPa)。