基于Ni-B/Ti瞬时液相原位反应的陶瓷/金属连接方法及机理研究

Based on transient liquid phase (TLP) diffusion joining technology and in situ TiB reinforced joining technology, a new ceramic/metal joining method by using Ni-B/Ti TLP reaction to synthesize gradient-distributed TiB whisker reinforcements in joint is proposed in this project. The size and distribution of TiB whiskers can be precisely controlled because the in situ reaction is accompanied with Ti/Ni TLP reaction which happens instantaneously and locally in the joint. Benefit from optimal design of interlayers and TiB distribution, the residual stress is released and the strength of joint is increased. In this project, the growth mechanism of TiB formed in TLP is studied in particular. The effects of Ti/Ni reaction exotherm, Ti-B concentration field and liquid dwell time on the distribution, size and orientation of TiB whiskers are analyzed. The kinetic equation of TiB growth in liquid and solid phase is presented. Then, the composite interlayer is designed and joining technology is improved to optimize the TiB distribution and interfacial structure of the joint. Our work will help to clarify the control principle of in situ TiB reaction during TLP diffusion bonding. This project therefore will provide insight into ways finding a new ceramic/metal joining technology with low stress.

本项目基于瞬时液相扩散连接技术和TiB原位反应合成技术的基本原理，提出一种Ni-B/Ti瞬时液相原位反应生成TiB晶须增强体，形成复合强化的陶瓷/金属连接接头的新方法。在Ti/Ni接触反应形成瞬时液相的同时引发TiB原位反应，利用反应液相瞬时性和局部性的特点精确控制TiB晶须的生成位置和生成尺寸，并通过中间层设计优化TiB晶须分布，实现接头应力调节和模量增强。项目将着重研究瞬时液相条件下TiB晶须的生长机制，分析反应放热、Ti-B浓度场以及液相停留时间对TiB晶须分布、尺寸和取向的影响，建立瞬时液相和固相中TiB晶须生长动力学方程，阐明TiB晶须原位反应的控制原理。在此基础上进行瞬时液相原位反应中间层的设计和连接工艺优化，获得最佳的接头性能，为陶瓷/金属连接或其他异种材料的连接提供一种新的研究思路和实用方法。

开发先进陶瓷材料与金属的焊接技术对于推动高端装备制造发展具有重要意义。然而，陶瓷与金属的热物理性质差异巨大，焊接产生的残余应力严重降低了陶瓷/金属接头的服役可靠性。基于此，本项目提出了一种Ni-B/Ti瞬时液相原位反应连接法。利用Ni-B/Ti接触反应原位产生的TiB晶须调节接头应力分布，并实现接头的增强、增韧。研究表明，焊接升温阶段Ni-B合金中的B原子向Ti发生显著偏聚，接触反应产生的瞬时液相具有高温、高Ti活度的特性，促进TiB在局部形成密集生长。项目对TiB在瞬时液相的生长和分布进行了深入研究，揭示了瞬时液相中TiB生长机制和低Ti活度条件下TiB分解机制。此外，项目还对Ag-Cu钎料体系中Ni-B/Ti的反应过程进行了研究，发现了纳米硼化物层的形成对TiB的分布具有显著影响，初步探索了Ag-Cu液相中TiB分布的控制方法。项目对TiB增强接头的力学性能进行了较全面的分析，得出TiB对接头的增强增韧机制，总结出TiB增强接头的最优设计原则。在本项目资助下，已发表SCI学术论文9篇，授权发明专利1项，基本完成了本项目的既定方案和目标。研究结果为陶瓷/金属接头的原位复合化设计提供实验和理论依据，也为陶瓷/金属接头的工程应用提供一种实用方法。