Si_3N_4/Inconel600部分液相扩散连接研究

【摘要】：为在较低连接温度下获得高温稳定性好的Si_3N_4/Incone1600接头,本文开发了基于非对称中间层的部分液相扩散连接(Partial Liquid Phase Diffusion Bonding,PLPDB)新技术,系统研究了Si_3N_4/Inconel600接头的力学行为、组织结构、界面反应。 通过试验设计了适合Si_3N_4/Inconel600连接的非对称中间层Nb/Cu/Ni。在连接温度为1403K,连接时间为50min,连接压力为7.5MPa,冷却速度为5K/min的工艺下,采用真空扩散连接设备,获得了以Nb-Ni金属间化合物为强化相,无限互溶的Cu-Ni二元合金为基的耐高温接头。 详细研究了Nb、Cu、Ni金属层厚度、连接温度、连接压力、连接时间和冷却速对接头连接性的影响,试验结果表明,Nb、Cu和Ni金属层的厚度直接影口向接头的组织、性能和应力状态,最佳厚度分别是0.02mm、0.05～0.2mm、0.045～0.12mm。连接温度影响界面反应和元素扩散速度以及接头的组织和力学性能;连接压力影响固相与固相的接触面积、活性液态金属在陶瓷表面的铺展、反应层的厚度以及接头中液体金属的量;连接时间影响Cu层的熔化量、接头的冶金反应和反应层的厚度;连接温度、连接压力和连接时间分别与接头剪切强度呈抛物线关系。冷却速度影响应变速率,从而影响界面处的应力和接头的强度,随冷却速度的增加接头剪切强度线性下降。综合表明,在最佳连接工艺和最佳Nb、Cu和Ni金属层厚度下,接头最高剪切强度达到101.4MPa,为Si_3N_4陶瓷剪切强度的84%。 本文全面地研究了Si_3N_4/Nb/Cu/Ni/Incone1600接头相的形成、结构及分布,重点讨论了Si_3N_4/中间层的界面反应机制。研究发现界面反应分两个阶段进行:第一阶段,Cu在靠近Nb侧形成低于Cu熔点的Nb-Cu包晶首先熔化并迅速包围Nb;Nb向液态Cu中扩散溶解形成Cu-Nb液态合金,液态合金与Si_3N_4反应形成由NbN和Nb_3Si组成的反应层。第二阶段,Cu全部熔化,Ni向液态金属中扩散溶解,形成Cu-Nb-Ni液态合金,液态合金中的Nb、Ni向Si_3N_4界面扩散并与之反应形成由NbN、Nb_3Si和Ni_3Si组成的反应层。液态合金中的部分Ni也迅速扩散到富Nb位置,并和Nb反应形成金属间化合物NbNi_3包围在Nb的周围。 通过对Si_3N_4/中间层界面反应的热力学和动力学的研究,发现是Nb先和