Al_2O_3-TiC/W18Cr4V扩散连接界面结构及应力分布研究

【摘要】： Al2O3-TiC复合陶瓷由于在Al2O3基体上添加了TiC增强颗粒,使其具有更高的硬度、强度和断裂韧性,被广泛应用于切削刀具的制备。将Al2O3-TiC复合陶瓷与W18Cr4V高速钢用扩散焊方法连接起来制成复合构件,对于改善结构件内部应力分布状态、拓宽Al2O3-TiC复合陶瓷的使用范围具有重要意义。 本文采用真空扩散连接工艺,对Al2O3-TiC复合陶瓷和W18Cr4V高速钢的连接进行了试验研究。通过控制真空度1.33×10-4～1.33×10-5Pa,连接温度1080℃～1160℃,保温时间30～60min,压力10～20MPa,可获得界面结合良好的Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接接头。当连接温度1130℃、保温时间45min、连接压力15MPa时,Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接接头的剪切强度达154MPa。 用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分析了Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散界面组织结构,研究了工艺参数对界面结合状态和组织结构的影响。结果表明,升高连接温度和延长保温时间,界面过渡区的宽度增加,显微硬度增加,但没有硬度高于Al2O3-TiC陶瓷的脆性相生成。用X射线衍射仪(XRD)分析了Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散接头剪切断口相组成,结果表明,断口靠近Al2O3-TiC侧主要存在着A12O3、TiC、TiO和Ti3Al等相,断口靠近W18Cr4V侧主要有A12O3、TiC、Cu、CuTi、CuTi2、Fe3W3C、FeTi等相。 本文提出Al2O3-TiC／W18Cr4V扩散界面过渡区主要由Al2O3-TiC/Ti界面反应层、Cu-Ti固溶体层、Ti/W18Cr4V界面Ti侧反应层和W18Cr4V钢侧反应层组成。电子探针(EPMA)分析表明,Al2O3-TiC/Ti界面反应层主要含Ti、Al、O; Cu-Ti固溶体层含Ti、Cu和少量Fe; Ti/W18Cr4V界面Ti侧反应层含Ti和C; W18Cr4V钢侧反应层主要含Ti、Fe、W、C、Cr等。Ti存在于Al2O3-TiC/W18Cr4V界面过渡区的多个反应层中,与多种元素有共存区,表明Ti与多种元素发生了反应,Ti是控制Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接接头界面反应的主要元素。 Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散界面形成过程分四个阶段：首先Ti-Cu-Ti中间层熔化形成Cu-Ti液相,填充Al2O3-TiC/W18Cr4整个界面；其次Cu-Ti液相中的Ti向Al2O3-TiC和W18Cr4V两侧扩散并发生反应,使液相区进一步增宽和成分均匀化；然后液相逐渐凝固,各界面间反应生成多种化合物；最后是固相成分均匀化阶段。对Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接过程的非对称性进行分析,提出Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接液相凝固过程的非对称模型。对Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接界面反应机理研究表明,扩散界面反应形成了Al2O3-TiC/TiC+Tl3Al+TiO/CuTi+CuTi2+TiC/TiC+FeTi/Fe3W3C+a-Fe/W18Cr4V的界面结构。 对Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散连接接头应力分布进行有限元计算,研究了工艺参数、中间层、试样尺寸及形状对接头应力分布的影响。结果表明,接头边缘界面附近应力变化幅度很大,靠近接头中心应力分布很均匀。接头最大轴向拉应力位于接头边缘附近的陶瓷侧,最大剪切应力位于接头边缘Ti/W18Cr4V界面处。降低加热温度和增大连接压力会降低接头轴向残余拉应力。使用Ti-Cu-Ti复合中间层比使用纯Ti中间层可以降低界面轴向应力和剪切应力。增大试样直径和减小W18Cr4V钢厚度可以减小轴向拉应力。方形截面试样四角的应力值比同截面积圆形试样的轴向拉应力要大。 对Al2O3-TiC/W18Cr4V扩散界面剪切断裂进行分析,界面裂纹扩展路径可分为界面断裂和混合断裂,其中混合断裂的接头强度高于界面断裂。通过控制扩散工艺参数可以控制界面断裂的形式。界面剪切断口形貌呈解理脆性断裂特征,有明显的解理台阶,也有少量的韧性断裂特征。界面断裂主要发生在靠近Al2O3-TiC陶瓷一侧的界面处,主要是穿晶断裂,也有少量的沿晶断裂。 本文对Al2O3-TiC复合陶瓷和W18Cr4V高速钢扩散连接界面结构、界面反应机理、应力分布和界面断裂等进行了研究,该研究工作为Al2O3-TiC复合陶瓷的推广应用提供了试验依据和理论基础,为Al2O3-TiC复合陶瓷与其他金属的连接提供了研究思路。