引入梯度过渡层的ZrB2基陶瓷非晶钎焊连接机理与性能研究

As one of the most important key issues for the development of the ultra-high temperature thermal protection systems of national defense and industrial equipment, recent research interests on with the connection technology of ultra-high temperature ceramic (UHTC) components have been motivated. This project aims to develop novel connection technology for ultra-high temperature ceramic components. The bonding surface of SiC parent ceramic is prefabricated with porous SiC coating, and then CuTiNiZr amorphous alloy is used to join the pretreated ZrB2-SiC ceramic through brazing. A gradient transition of coefficient of thermal expansion and elasticity modulus is formed from ZrB2-SiC parent ceramic to SiC coating to brazing alloy, leading to improve the wettability and lower the residual stress level in the joint. This project investigates the intrinsic relationships between the brazing processing parameters, interfacial microstructure and mechanical properties, finally establishing the brazing connection technology and interfacial controlling method. In addition, the research is focus on the mechanical properties and microstructure evolvement at high temperature from the perspectives of variation of stress and interface microstructure, and to obtain the failure model and mechanism of this brazing connected ZrB2-SiC UHTCs. It is believed that this study can provide a new method of brazing ceramics, and provide theoretical and experimental references on the engineering applications of the UHTCs.

新型连接技术成为超高温陶瓷材料在国防及高端工业装备热防护领域获得工程化应用的关键技术之一。本项目拟开展超高温陶瓷材料的钎焊连接研究，通过在ZrB2-SiC超高温陶瓷材料被连接面预制多孔SiC涂层，采用CuTiNiZr系非晶态合金为钎料进行钎焊连接，得到ZrB2-SiC母材→SiC涂层→钎料合金协调变化的接头结构，从而实现母材和钎料之间的热膨胀系数、杨氏模量等物理性能的过渡变化，达到提高钎料与母材之间的润湿性和降低接头内应力的目的。通过研究工艺参数-界面微观组织结构-力学性能间相互关联关系，发展超高温陶瓷材料非晶钎焊工艺与界面微结构调控方法。同时，从应力和界面结构变化角度，阐述高温环境下接头的微观组织演化规律和力学性能，揭示高温环境下接头的失效模式与失效机制，通过本项目的研究，为陶瓷材料的钎焊连接提供新的思路和方法，为超高温陶瓷材料的工程化应用提供一定理论与实验依据。

本项目针对复杂异性超高温陶瓷材料的连接需求，以“二元共晶比例法”为设计原则，自行设计并制备了Cu39.37Ti32.19Zr19.38Ni9.06（at %）非晶态钎料。采用该钎料对 ZrB2-SiC超高温陶瓷同种以及异种材料之间进行了真空钎焊行为的研究，重点考察了接头显微组织、析出相以及对应的接头性能，阐明了接头形成的微观机制。研究表明，通过工艺调控和中间层结构设计，可以实现ZrB2-SiC超高温陶瓷同种以及与TC4、TiAl合金等之间的可靠连接。钎焊温度为1180 K，钎焊时间900 s时，接头不仅体现良好是室温性能（160 MPa），同时具备优异的高温性能（873 K，240 MPa）。. 为了进一步降低接头的残余应力，采用Cu基泡沫为中间层，形成泡沫Cu+非晶钎料或者AgCu钎料的复合中间层，对ZrB2-SiC超高温陶瓷/TC4（或者Inconel 600）异种材料钎焊行为进行了系统研究。从热力学和动力学角度详细分析了接头形成的机理。在钎焊温度1180 K，保温时间1200 s时，通过添加合适厚度的泡沫Cu可以厚度优异的接头性能，剪切强度高达435 MPa，比未添加泡沫Cu的接头强度高出90 MPa。从接头组织和残余应力两方面对该结果进行了分析，随着钎焊时间的延迟，接头中的Cu基固溶体含量逐渐降低，取而代之的是脆性的Ti2Cu金属间化合物，该化合物的形成对接头性能具有恶化的作用。此外，通过残余应力的计算得出，添加泡沫Cu的接头残余应力要低于未添加泡沫Cu的接头残余应力。. 此外，本项目还初步探索了CoFeCrNiCu高熵钎料对ZrB2-SiC/Nb接头组织及性能的影响，结果表明: 接头的典型界面结构为ZrB2-SiC/Cr2B/(Cr, Fe)2B + FCC + Cr2B+ Laves + Cu(s, s)/Nb(s, s)/Nb。Nb合金向液态钎料中的溶解量以及液态钎料中Cr向ZrB2-SiC陶瓷富集的数量决定了钎焊接头界面组织的形成及其演化。陶瓷侧界面反应层的厚度及形态和钎缝中Laves相的形态及分布共同决定着接头的抗剪强度。当钎焊温度为1433 K，保温 3600 s 时，接头的抗剪强度最大，达到216 MPa。通过本项目的研究，为陶瓷材料的钎焊连接提供新的思路和方法。