非接触电磁超声诱导SiC陶瓷/金属钎料界面非晶过渡层的形成及其连接机制研究

The bonding of the liquid filler metal to the ceramic was one of the facing key problems during brazed joining large-size SiC ceramic components. In this study, the internal self generated electromagnetic ultrasonic wave is used in the liquid filler metal alloy. The electromagnetic ultrasonic directly produce cavitation effect in the liquid filler metal, and promote the interfacial reaction of amorphous layer between the SiC ceramic and the liquid filler metal. The bonding strength of filler metal and SiC ceramics can be improved, which can realize the purpose of joining SiC ceramic at low temperature and low stress. Comprehensive study on distribution and pointing behavior of the electromagnetic ultrasonic field, acoustic cavitation in the liquid filler metal and its effect on the liquid/solid interface interaction, the interfacial reaction mechanism of liquid solder and SiC ceramic will be carried out. It is aimed to reveal the physical nature and discipline of the cavitation effect of electromagnetic ultrasonic wave in liquid metal and in situ formation of amorphous layer between the liquid solder and SiC ceramic in order to ultimately control the interfacial reaction at ceramic/metal interface. The results of this project would be an enrichment of the current interfacial reaction theory, and provide alternative methods for bonding of brittle materials such as ceramic and glass and metal.

液态金属钎料对陶瓷的润湿结合是大尺寸SiC陶瓷构件钎焊连接中的难题之一。本研究采用交流电磁场在液态钎料合金内部自生电磁超声波，利用声空化效应在SiC陶瓷与钎料合金界面上原位生成非晶层，提高钎料合金与SiC陶瓷润湿结合强度，进而实现SiC陶瓷低温、低应力连接的目的。主要研究电磁超声诱导下液态钎料内部的辐射声场分布及指向行为，研究液态钎料中的声空化效应及其对液/固界面相互作用过程的影响，液态钎料与SiC陶瓷界面反应机制。揭示电磁超声波在液态金属内产生空化效应的物理本质及其规律，揭示电磁超声诱导SiC陶瓷与液态钎料界面上原位生成非晶层的物理本质及其规律，以实现对陶瓷/金属界面反应的最终调控。本项目可丰富现有的界面反应经典理论，同时为脆性材料（如陶瓷和玻璃等）与金属连接提供新的解决方案。

本项目采用交流电磁场在液态钎料合金内部自生电磁超声波，利用声空化效应促进SiC陶瓷与钎料合金结合，使其界面部分生成非晶层，提高钎料合金与SiC陶瓷润湿结合强度，进而实现SiC陶瓷低温、低应力连接的目的。通过本项目的研究，主要得到以下结果：1.揭示了不同液态钎料内空化泡成长与破裂的机制，提出了空化效应及其对液/固界面作用过程的影响规律。发现了Zn基、Sn基和Al基三种液态钎料中，加热温度、超声频率和空化泡初始半径等参数与空化效应之间的关系。解释了空化泡崩溃的最大温度随绝热指数线性增大，而崩溃时的最大压力随绝热指数和反应体系的温度增大而总体减小的规律。2.揭示了超声波作用下SiC陶瓷表面的超声声压分布及传播规律，发现了超声波作用下液态钎料在SiC陶瓷表面的振动规律和动态铺展规律，提出了在单个超声周期内钎料液滴内部压力随时间呈现周期性正、负压的连续转换。发现了钎料液滴在脆性材料表面铺展的主要驱动力来源于超声波作用。超声波作用使得钎料液滴受方向向下大小不同正弦分布的声压偏移量作用，导致钎料液滴沿偏移量梯度方向流动，从而促使液滴向外铺展。3.揭示了钎料薄层和钎料液滴中直接生成电磁超声的机理，发现了非接触电磁超声波的作用下不同母材表面钎料液滴铺展行为。发现了线圈匝数、电流大小和电流频率等参数对液态钎料内部的位移影响。4.发现了钎料合金与4H-SiC连接界面的连接性质，揭示了在Zn基、Sn基和Al基钎料合金与4H-SiC界面上的主要成键方式和成键强度，提出了Sn-Zn/C之间形成的离子键相互作用大于Si/Sn-Zn的化学键强度。5.揭示了SiC陶瓷/Al合金接头的应力分布及对接头的影响规律，提出了使用Zn-Al钎料进行钎焊SiC陶瓷的接头组织及界面连接方式，发现了SiC陶瓷在超声波作用下与Zn-Al钎料形成非晶组织。