金属泡沫缓解陶瓷/金属钎焊接头内应力的机理研究

Residual stress in the ceramic/metal brazed joint is the main problem that restrains the application of ceramic/metal structure. Based on the previous study on brazing procedure and life of thermal cycling, the microstructure of ceramic/stainless steel brazed joint with metal foam interlayer, as well as the microstructure changes and fracture behavior during thermal cycling will be studied to develop a proper model for FEM analysis of stress in the joint. Therefore，the distribution of the stress inside the joint and its changes during thermal cycling will be analyzed step by step, and the mechanism of stress reduction caused by metal foam interlayer in ceramic/metal brazed joint will be understood. A proper thickness of metal foam will be put forward with the combination of the results of FEM analysis and the properties test of ceramic/metal brazed joint. This is a new way to lower the stress of ceramic/metal brazed joint, which has a very important meaning to the application of ceramic in the field of energy, electronics, medical treatment, aeronautics and astronautics.

陶瓷/金属钎焊接头的残余应力是制约陶瓷与金属连接结构广泛应用的瓶颈问题。本项目在前期对含金属泡沫的陶瓷/不锈钢钎焊接头的钎焊工艺和热循环性能进行初步研究的基础上，通过对含不同厚度金属泡沫的陶瓷/不锈钢钎焊接头组织分析和接头热循环过程中组织变化及断裂行为研究，建立合适的接头应力有限元分析模型，对含泡沫层的陶瓷/不锈钢钎焊接头残余应力的分布及其在热循环过程中的变化进行系统分析，阐明金属泡沫层缓解接头应力的作用机理，并结合陶瓷/不锈钢接头的性能测试，提出实用的、合适的泡沫层厚度。本项目研究将为克服陶瓷与金属连接时的高残余应力提供一条新的途径，这对陶瓷材料在能源、电子、医疗及航空航天的广泛应用具有重要的理论意义和实用价值。

陶瓷与金属连接在航空航天、电子工业、核工业、能源等领域具有广泛的应用和重要的研究价值。但由于陶瓷与金属极大的热物理性能差异，特别是热膨胀系数不匹配，接头内部会产生较大的残余应力并影响接头强度。中间层通常采用一种热膨胀系数适中、低强度、低熔点的金属制成。常用的金属中间层有金属颗粒、金属箔片以及泡沫金属。中间层一方面可以缓解陶瓷与金属热膨胀系数不匹配而导致的接头残余应力；另一方面中间层的熔化或与基体表面的反应，有助于减少连接面孔洞，提高接头的密封性，获得可靠连接。但过厚的中间层反而降低接头的强度，因此这就对中间层的厚度提出了要求。本研究以泡沫镍作为中间层进行Al2O3陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行钎焊，首先探究不同厚度泡沫镍对接头强度和热循环寿命的影响，确定最佳中间层厚度，进而针对最佳中间层厚度，研究不同温度钎焊过程中接头微观组织演变特性以及力学性能（剪切强度）。最后通过ABAQUS有限元数值模拟技术，解释中间层对残余应力的缓解作用机理。.研究结果表明：在850℃保温20min的条件下，直接钎焊（泡沫镍层为0.0mm）和含不同厚度泡沫镍层（0.2mm，0.4mm和0.6mm）的陶瓷/不锈钢钎焊接头强度分别为12.56MPa，119.86MPa，18.91MPa和9.80MPa；热循环寿命分别为5、62、59和59次。接头的剪切强度和热循环寿命均比直接钎焊时有较大提高，接头的热循环周期增加了12倍左右。对钎焊接头微观组织分析可以发现，添加泡沫镍可以有效阻碍Ti相陶瓷一侧扩散，进而有效抑制了Fe-Ti + Ni-Ti波浪状脆性层的形成。断口分析发现直接钎焊接头断口位于陶瓷侧，添加泡沫镍后断口位于焊缝处。.有限元数值模拟结果表明，填加泡沫镍中间层能够有效缓解钎焊接头内部残余应力，陶瓷侧最大残余应力由449.9MPa减小到74.7MPa；不锈钢侧残余应力由275.0MPa减小到51.3MPa。说明泡沫镍层起到了缓冲层的作用，有效的改善了应力分布，降低了应力大小，提高了接头可靠性。