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《吉林大学》 2011年
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Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料的研究及其与c-BN的连接

王毅  
【摘要】:立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,简称c-BN)的硬度高,抗氧化性强,具有优越的物理、化学和热稳定性能,尤其是避免了金刚石制品加工铁基合金材料发生化学反应的局限性,被国际材料界作为金刚石的替代材料。c-BN制品非常适合加工黑色铁基合金材料、钛合金和高硅铝合金等硬度高韧性大的金属材料,广泛地应用在精密加工、石材加工、汽车制造、机械加工、建材、航空航天及新材料加工等领域。c-BN的延性与冲击韧度低,机械加工性能差,限制其二次开发应用。本文针对c-BN与金属基体连接困难,结合强度低,常在高温条件下工作等问题,开展了以Cu作为活性钎料的基础成分,添加Ni、Sn和Ti等元素的多元铜基活性钎料及其与c-BN连接技术的研究。采用二次回归混料试验设计方法,优化钎料成分;通过SEM、EDS和XRD等方法研究CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN的界面微观结构和组织,揭示了钎料与c-BN界面冶金结合形成机制;探讨了界面残余应力的分布。 依据键参数理论计算及试验结果,选择Ti元素作为钎焊c-BN多元铜基活性钎料的活性元素。通过对In、Sn、Al、Ag、Pb、Bi和Ga等元素的筛选,并研究In和Sn元素对多元铜基活性钎料组织、性能及钎焊c-BN焊接性的影响,从而选择Sn元素作为多元铜基活性钎料的合金元素。试验研究确定多元铜基活性钎料的组元为Cu、Ni、Sn和Ti。活性元素Ti的含量对Cu-Ni-Sn-Ti系钎料与其钎焊c-BN的微观结构和性能有直接影响。Ti含量增加,钎料对c-BN的润湿性提高,钎料与c-BN间的相互作用加剧,相互作用产生的脆性化合物增多会降低钎料与c-BN界面结合强度,因此Ti含量需要进行优化设计。 采用兼有上下界约束的极端顶点设计方法,对Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料成分进行优化分析,建立二阶规范多项式回归模型,计算得到用于钎焊c-BN的Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料的最佳成分,(wt%) Ti:11.1%;Sn:5.1%;Ni:5%,余量为Cu。采用DSC差热分析仪测得CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料的熔化温度区间为834.6-1000℃。粉状CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料对c-BN聚晶复合片的润湿角为28~(-3)0°,对c-BN颗粒的润湿性也很好。CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN颗粒,界面处Ti元素呈梯度分布,Ti与c-BN颗粒在界面处发生相互作用,实现化学冶金结合。 研究工艺参数对CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN界面微观结构与性能的变化规律。结果表明,随着钎焊温度提高和保温时间延长,界面处钎料中的活性元素Ti与c-BN间的相互作用加剧,相互作用产生的新相增多,界面形成的反应层变宽,对CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)钎料/c-BN界面结合强度有直接影响。当真空度高于9.0×10~(-3)Pa,钎焊温度T=1100℃,保温时间t=10min时,钎料/c-BN界面的结合强度较高。 热力学和动力学分析表明,在钎焊过程中,钎料中的活性元素Ti与c-BN发生化学反应,生成具有一定金属性和陶瓷性的Ti-N和Ti-B化合物,对钎料与c-BN间的物理化学性质起到过渡作用,界面实现化学冶金结合,形成钎料/TiN/TiB/TiB2/c-BN的结构形式,有利于提高钎料与c-BN界面的结合强度,从而揭示了CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN界面的形成机制。 采用有限元分析方法研究了CuNi_5Sn_(5.1)Ti_(11.1)活性钎料钎焊c-BN界面连接的大小和分布,残余应力较大值出现在钎料与c-BN接触的最高点处。c-BN的包埋深度会影响界面残余应力的大小和分布。在c-BN包埋35%-75%范围内,随着包埋深度的增加,界面残余应力增大。考虑减小钎焊c-BN所产生的残余应力,满足c-BN颗粒的强度要求,c-BN颗粒的最佳包埋深度为30%-40%。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG454

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【参考文献】
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