第 1 章 绪 论
由于 ZrC-SiC 复合陶瓷材料的本征脆性以及制备方法的限制，难以获得大尺寸、形状复杂的陶瓷构件，因此，实现 ZrC-SiC 复合陶瓷自身以及与其它材料，特别是与耐高温金属材料的连接成为其广泛应用的关键。如果能实现ZrC-SiC 复合陶瓷与高温金属 Nb 的可靠连接，获得兼具二者优异性能的陶瓷-金属复合构件，将具有重要的理论意义和实际应用价值。 瞬时液相扩散连接方法兼具钎焊与扩散焊的优点，对材料种类、接头形式及尺寸适应性强，成为陶瓷-金属连接中最有前途的方法[15,16]。本课题以实现ZrC-SiC 复合陶瓷与金属 Nb 的可靠连接为目的，根据 ZrC-SiC 复合陶瓷的特点对瞬时液相扩散连接的中间层进行设计，研究中间层体系与母材之间的相互作用机制，分析并调节接头的残余应力状态，获得力学性能优异的 ZrC-SiC/Nb连接接头，为 ZrC-SiC 复合陶瓷的推广应用打下坚实基础。
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第 2 章 试验材料及方法
2.1试验材料
本课题所连接的超高温陶瓷材料是哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所提供的ZrC-SiC 复合陶瓷，由商用 ZrC 粉与 β-SiC 粉机械混合后经热压烧结(Hot Pressing)制备而成，其中 β-SiC 的体积分数为 20%，记为 ZrC-20vol.%SiC，简称 ZrC-SiC复合陶瓷。原始粉末中 ZrC 与 β-SiC 的颗粒尺寸均为 1.2~2μm。ZrC-SiC 复合陶瓷热压烧结工艺为：2000℃及 30MPa 条件下保温 60min，高纯氩气保护(0.1atm)。制备的复合陶瓷材料相对密度约为 98%。表 2-1 所示为 ZrC-20vol.%SiC 陶瓷的部分性能参数。ZrC 陶瓷具有优良的物理性能和力学性能，但是其熔点高、硬度大，难以获得致密的纯 ZrC 陶瓷材料，采用 SiC 作为第二相不仅可以改善 ZrC 陶瓷的烧结性能获得致密的复合陶瓷，而且可以提高 ZrC 陶瓷的力学性能以及抗氧化性能。图 2-1(a)所示为热压烧结制备的 ZrC-20vol.%SiC 复合陶瓷的微观组织形貌，根据能谱分析结果可知灰白色相为 ZrC，其体积分数约为 80%；黑色相为 SiC，其体积分数约为 20%。图 2-1(b)所示为 ZrC-20vol.%SiC 复合陶瓷母材 XRD 分析结果，由于复合陶瓷中 ZrC 的比例高，其衍射峰相对较强；而 SiC 的含量相对较少，而且 SiC 颗粒弥散分布于 ZrC 颗粒之中，陶瓷试样表面被检测到的 SiC非常有限，因此 SiC 的衍射峰相对较低。
2.2试验设备及工艺过程
ZrC-20vol.%SiC 复合陶瓷与 Nb 的连接试验工艺曲线示意图如图 2-5 所示。试验过程中，先将装有待焊试样的石墨夹具放置在真空炉中，待真空度达到 1×10-3Pa 时开始运行试验程序，在略低于焊接温度时进行均温处理，从而使焊接试样中的温度与程序设定的温度保持一致，均温阶段结束后以较低的升温速度继续加热至焊接温度，保温一定时间后进入降温阶段，当温度降至 400℃左右时关闭试验程序以及加热电源，随炉冷却至室温完成焊接试验。为了研究不同元素与陶瓷母材之间的界面反应机理，本文采用单质金属箔作中间层对 ZrC-SiC 复合陶瓷进行了扩散连接试验试验，扩散连接试验升温、降温过程与图 2-5 所示的工艺曲线相似，而焊接压力、焊接温度以及保温时间均根据试验目的进行设计。
第 3 章 ZrC-SiC 复合陶瓷与 Ti-Ni 中间层的相互作用机制 .......................... 31
3.1 引言 .................. 31
3.2 Ti-Ni 中间层反应过程分析 ................................... 31
第 4 章 中间层体系优化及界面反应的控制 .......................... 79
4.1 引言 ................... 79
4.2 反应体系的热力学分析 ..................... 79
第 5 章 ZrC-SiC 复合陶瓷与金属 Nb 的瞬时液相扩散连接 ............................ 96
5.1 引言 ....................... 96
5.2 电镀辅助连接 ZrC-SiC 复合陶瓷与金属 Nb ........................... 96
5.3 ZrC-SiC/Nb 接头界面组织与力学性能分析 ....................... 102
第 6 章 ZrC-SiC/Nb 焊接接头残余应力分析及其控制
6.1引言
陶瓷与金属在热膨胀系数、弹性模量等方面的差异往往导致焊接接头中形成严重的残余应力。残余应力的大小和分布直接影响陶瓷-金属焊接接头的力学性能及可靠性。在被连接母材已确定的条件下，焊接接头残余应力的状态主要受到接头形式、中间层种类以及中间层类型的影响。低膨胀中间层方法是缓解接头中残余应力的有效措施之一，而不同厚度的中间层对接头残余应力的调节效果存在差异，这也是需要对中间层进行优化和设计的主要原因。本章将采用有限元方法(Finite element method, FEM)对 ZrC-SiC/Nb 接头的残余应力状态进行分析，在此基础上，设计一种低膨胀中间层对接头的残余应力进行调节。最后，通过试验方法对不同厚度中间层的作用进行检验和评价，揭示低膨胀中间层对焊接接头的强化作用机制。
6.2焊接接头残余应力有限元分析
焊接接头残余应力的大小与被连接材料的弹性模量、热膨胀系数差异以及连接温度有关，模量越大、热膨胀系数差异越大以及连接温度越高，则残余应力就越大。一般情况下，陶瓷材料具有较高的模量和较低的热膨胀系数，而金属材料具有相对较低的模量和较高的热膨胀系数；因此，在陶瓷-金属连接接头中，通常在陶瓷母材一侧近界面处形成残余压应力，而金属母材一侧形成残余拉应力。由于金属材料模量低，可以通过塑性变形释放部分残余应力，而陶瓷材料模量大，不易通过变形释放应力，因而形成更高的残余应力。高残余应力将导致陶瓷-金属连接接头直接开裂失效，或者在接头界面附近应力集中部位萌生裂纹，裂纹在外载荷作用下扩展并导致接头发生破坏，即残余应力降低了陶瓷-金属连接接头的力学性能和可靠性。
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结 论
本文采用Ti-Ni复合中间层实现了ZrC-SiC复合陶瓷与高温金属Nb的连接。研究了 Ti-Ni 液态合金与母材间的相互作用机制，并对焊接接头残余应力进行了分析和控制，得出以下主要结论：
（1）研究了 Ti-Ni 复合中间层与 ZrC-SiC 复合陶瓷的界面反应特征，分析了 Ti-Ni 体系成分对原子活度以及焊接接头界面组织的的影响规律。当 Ti-Ni 体系中 Ni 元素含量小于 40at.%时，Ni 原子的活度接近于零，Ti 原子呈现高活性，活性元素Ti与陶瓷母材相互作用形成连续的TiC化合物层。Ni含量在50~60at.%之间时，Ti、Ni 两种元素均呈现低活性，界面反应程度减弱。
（2）基于热力学分析以及 TEM、HRTEM 和 SAED 等表征方法研究了活性元素 Ti 与 ZrC-SiC 复合陶瓷之间的相互作用机理，解明了界面反应产物 TiC 的形成机制。活性元素 Ti 与 ZrC-SiC 复合陶瓷反应形成了连续的 TiC 化合物层，而 SiC 与 ZrC 在热力学稳定性上的差异导致二者不同的反应路径。其中，SiC的化学稳定性相对较低，在活性元素 Ti 的作用下发生分解并进一步形成新相TiC；ZrC 的稳定性远高于 SiC，Ti 与 ZrC 发生反应时，通过 Ti 原子的富集占位以及 C 原子的扩散形成间隙相 TiC，TiC 以非均匀形核的方式在 ZrC 表面形核长大。
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参考文献（略）