感应加热Ti-Si-C三元系自蔓延高温连接碳化硅陶瓷及其机理研究

Due to the excellent properties, especially the stability under neutron radiation, silicon carbide (SiC) ceramics and silicon carbide based composites are considered to be one of the potential structural materials for new generation nuclear reactors. Reliable joining technique is the crucial part for manufacturing the complex and large components, however, even the state-of-the-art techniques cannot satisfy the sever requirement in nuclear applications. According to the analysis above, this project is going to investigate the assembling issue of silicon carbide ceramic components of nuclear reactors through a induction heating ignited Self-propagation High Temperature Synthesis (SHS) of a Ti-Si-C ternary system. By means of controlling the liquid phase during the joining process to enhance the interface reaction and obtain a dense and strong joint under a lower joining pressure. Based on the investigation of influence of both craft and material parameters on the reaction products, to research the effects of different Ti3SiC2/SiC ratio on relieving the interfacial residual stress. Combined with the mechanical tests and microscopic analyze to ensure the relationsip between joining thickness and mechanical properties of SiC joints, focus on the analysis of interfacial reaction, joint produce, elemental diffusion and residual stress distribution, and then deepen the research on joining mechanism. This project is going to enrich the basic joining theory and techniques for silicon carbide based materials, and to further develop the numerical simulation research on complicated SHS joining process.

碳化硅陶瓷及其复合材料凭借着优良的综合性能，特别是强粒子辐射下的稳定性，使其成为新一代核工业制造中的首选结构材料。可靠的连接技术是其能否最终得到应用的关键，但现有成熟的碳化硅陶瓷连接工艺大多满足不了核工业领域的特殊要求。基于此分析，拟采用感应加热Ti-Si-C三元体系自蔓延高温连接的方法，通过对反应体系中液相量的控制研究，提高反应物与陶瓷的界面反应，在较低连接压力下获得高致密度的碳化硅陶瓷接头。在研究各参数对生成反应产物物相的影响规律的基础上，探索反应物中Ti3SiC2/SiC相的比例对缓解接头界面残余应力的作用机理；结合接头的力学性能测试，明确中间层厚度与接头强度之间的关系。重点分析接头处的界面反应、反应产物、原子扩散和应力分布，深入研究其连接机理。本课题的实施为碳化硅陶瓷与高温金属合金以及碳化硅基复合材料的SHS连接奠定基础，更为下一步建立合理的自蔓延高温连接数值模型提供理论。

碳化硅陶瓷及其复合材料凭借着优良的综合性能，特别是强粒子辐射下的稳定性，使其成为新一代核工业制造中的首选结构材料。可靠的连接技术是其能否最终得到应用的关键，但现有成熟的碳化硅陶瓷连接工艺大多满足不了核工业领域的特殊要求。本课题中，首先对原有感应加热炉进行了自主的设计改造，改进后的设备可以实现高频电磁感应加热、机械/液压双重加压方式、红外测温、气氛保护一体化的粉末烧结与陶瓷钎焊。在该设备上建立了小质量的（0.2g）Ti-Si-C体系在感应电磁场激发下的燃烧反应规律，研究了助燃剂Al的含量、不同混合粉末方式以及加热和保温条件对Ti-Si-C燃烧反应过程及产物显微组织结构和力学性能的影响规律，初步确立了400MPa冷压成型压力、非球磨混粉方式以及50 A感应电流下加热、30 A电流保温0.5 h条件下进行SiC连接的实验工艺参数。在近乎无连接压力（1MPa）的条件下，成功实现了SiC陶瓷间的有效连接。在对SiC接头进行力学性能的评估过程中发现，尽管成型压力、连接压力以及保温条件等因素会对接头性能造成一定影响，但影响程度不大。而连接材料中添加微量Al后得到的SiC接头，其平均剪切强度超过66MPa，远远高于没有添加Al的SiC/TSC/SiC接头。通过对接头横切面上界面处的显微组织结构、界面反应、元素扩散等方面的研究后发现，在如此低的连接压力下，界面处无明显元素扩散，其得到较高剪切强度的主要原因为Al的添加促进了Ti-Si-C燃烧反应的进行以及Ti3SiC2相和低熔点化合物Ti-Si相的含量的增加，特别是后者的出现提高了界面处的润湿情况。重点对接头断口处的显微组织形貌、物相鉴别以及断裂形式等进行了考察，建立了Ti3SiC2相与接头力学性能之间的相互关系。本课题的研究，以核工业应用下SiC陶瓷的可靠连接问题为背景，探索燃烧反应实现SiC的连接机制为最终目的，为下一步建立合理的燃烧合成连接的数值模型提供理论依据，进一步发展和丰富碳化硅陶瓷连接的基础理论。而本研究中自主研究设计的感应加热炉也为日益严峻的环境问题下实现高效、环保钎焊SiC奠定了一定基础。