ZrC-SiC陶瓷與Nb瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接工藝及界面反應(yīng)機(jī)理.pdf

1、ZrC-SiC復(fù)合陶瓷是在 ZrC陶瓷的基礎(chǔ)上添加第二相 SiC發(fā)展起來(lái)的新一代超高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有優(yōu)越的熱物理性能和機(jī)械性能。ZrC-SiC復(fù)合陶瓷優(yōu)異的綜合性能使其廣泛適用于極端化學(xué)環(huán)境以及熱環(huán)境中，可作為高超音速飛行器機(jī)頭錐帽、機(jī)翼前緣及蓋板等部位的熱防護(hù)材料。由于陶瓷材料的本征脆性以及制備技術(shù)的限制，難以獲得大尺寸、形狀復(fù)雜的陶瓷構(gòu)件，因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷自身及與金屬材料的可靠連接是其獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本文采用 Ti-Ni復(fù)合中間層

2、對(duì)ZrC-SiC復(fù)合陶瓷與高溫金屬 Nb進(jìn)行了瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接，基于 Ti-Ni液相與ZrC-SiC復(fù)合陶瓷的界面反應(yīng)特征，通過(guò)中間層成分的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)界面反應(yīng)的有效控制，并通過(guò)低膨脹中間層 Mo的設(shè)計(jì)緩解了ZrC-SiC/Nb異種材料連接接頭的殘余應(yīng)力、提高了接頭的力學(xué)性能。
　　通過(guò)調(diào)整Ti-Ni中間層的成分研究了Ti-Ni液相與ZrC-SiC復(fù)合陶瓷的界面反應(yīng)特征，基于熱力學(xué)計(jì)算以及TEM、HRTEM和SAED等表征方法分析

3、了Ti、Ni兩種元素與ZrC-SiC復(fù)合陶瓷的界面反應(yīng)機(jī)理。采用富Ti的Ti-Ni中間層連接ZrC-SiC時(shí)，活性元素Ti與復(fù)合陶瓷的界面反應(yīng)實(shí)質(zhì)是形成TiC界面層的過(guò)程，反應(yīng)產(chǎn)物Si、Zr原子固溶于TiC反應(yīng)層以及Ti-Ni化合物中。采用熱力學(xué)計(jì)算方法分析了Ti與SiC、ZrC之間的反應(yīng)機(jī)制，即闡明了TiC反應(yīng)層的形成過(guò)程。采用富Ni的Ti-Ni中間層連接ZrC-SiC時(shí)，界面反應(yīng)以Ni/SiC反應(yīng)為主。此時(shí)，Ni與復(fù)合陶瓷中的SiC

4、發(fā)生劇烈的反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物為 Ni2Si和C，活性元素Ti在界面附近與中間產(chǎn)物C反應(yīng)形成顆粒狀的TiC。Ni與ZrC-SiC之間劇烈的界面反應(yīng)破壞了陶瓷材料自身的組織，部分反應(yīng)產(chǎn)物C最終轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝畹氖?，使接頭的性能急劇下降。
　　采用熱力學(xué)計(jì)算方法分析了Ti-Ni體系中原子活度與成分的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示了中間層成分變化與Ti-Ni/ZrC-SiC界面反應(yīng)轉(zhuǎn)變之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。隨著中間層成分的變化，Ti-Ni與ZrC-SiC發(fā)生兩類(lèi)典

5、型的界面反應(yīng)，分別為活性元素Ti與ZrC-SiC的反應(yīng)以及Ni與ZrC-SiC之間的反應(yīng)。研究結(jié)果表明，當(dāng)Ti-Ni液相中Ni元素的含量小于40at.％時(shí)，Ni原子的活度接近于零，而Ti原子呈現(xiàn)高活性，界面反應(yīng)為活性元素Ti與ZrC-SiC之間的反應(yīng)，形成連續(xù)的TiC反應(yīng)層；Ni元素含量位于40~60at.%范圍內(nèi)時(shí)，Ti、Ni均呈現(xiàn)低活性，Ni參與界面反應(yīng)的臨界摩爾分?jǐn)?shù)為0.52。當(dāng) Ni的含量大于52at.%時(shí)，Ti與陶瓷母材的界面

6、反應(yīng)程度逐漸減弱，而Ni參與界面反應(yīng)的程度逐漸增加；當(dāng)Ni元素含量大于60at.%時(shí)，Ti原子的活性趨近于零，而 Ni的活性呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。此時(shí)，界面反應(yīng)前沿完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹i與ZrC-SiC之間的反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物為Ni2Si和C。液相中Ti、Ni原子活性的規(guī)律性變化是界面反應(yīng)轉(zhuǎn)變的本質(zhì)因素。
　　基于熱力學(xué)分析結(jié)果，結(jié)合界面組織分析以及力學(xué)性能測(cè)試對(duì)Ti-Ni中間層體系的成分及相應(yīng)的連接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。采用 Ti-40Ni實(shí)現(xiàn)了

7、與ZrC-SiC復(fù)合陶瓷之間的充分反應(yīng)。在連接溫度為1150℃、保溫10min條件下，接頭的典型界面結(jié)構(gòu)為：ZrC-SiC/TiC/Ti2Ni+TiNi+TiNi3+TiC/TiC/ZrC-SiC。連接接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到172MPa。在ZrC-SiC/Nb異種材料連接中，Nb向Ti-Ni液相中的溶解形成 Ti元素的梯度分布，降低了陶瓷表面 Ti原子的活性。試驗(yàn)結(jié)果表明：Ti-32Ni可實(shí)現(xiàn)ZrC-SiC復(fù)合陶瓷與金屬Nb的可靠連接。通過(guò)

8、界面組織分析、工藝參數(shù)優(yōu)化建立了工藝、組織與性能之間的關(guān)聯(lián)。在溫度為1050℃、保溫10min條件下，ZrC-SiC/Ti-32Ni/Nb連接接頭的室溫及800℃高溫剪切強(qiáng)度分別達(dá)到141MPa和82MPa。
　　設(shè)計(jì)了低膨脹中間層Mo調(diào)節(jié)ZrC-SiC/Nb連接接頭的殘余應(yīng)力，采用有限元模擬方法分析了Mo中間層對(duì)接頭殘余應(yīng)力大小和分布狀態(tài)的影響規(guī)律，并采用剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)了ZrC-SiC/Mo/Nb連接接頭的力學(xué)性能。有限元模擬結(jié)果