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主要作者与机构

本研究的主要作者包括Wei Wang, Yaping Liu, Gang Wang, Caiwang Tan, 和 Wei Cao。他们分别来自Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Harbin Institute of Technology, 以及University of Oulu。该研究于2020年发表在期刊Journal of Materials Research and Technology (JMRT)上。

学术背景

本研究的科学领域是材料科学与工程，具体涉及超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics, UHTCs）与金属的连接技术。超高温陶瓷，如碳化锆（ZrB2）和碳化硅（SiC），因其优异的耐磨性、高硬度、机械强度、导热性和抗氧化性能，在航空航天等领域具有广泛应用。然而，陶瓷材料的固有脆性限制了其应用范围。为了克服这一缺陷，研究者通过在陶瓷基体中添加连续纤维（如碳纤维）来增强其性能，形成纤维增强陶瓷基复合材料（Fiber-Reinforced Ceramic Matrix Composites, FRCMCs）。这类复合材料具有低密度、高比强度、耐热性和耐腐蚀性等优点，但其加工难度较大，通常只能制备小型简单部件。因此，研究如何将纤维增强陶瓷基复合材料与金属连接，以制备复杂精密部件，具有重要的科学意义和工程价值。

本研究的目的是探索使用银铜（Ag-Cu）共晶合金作为填充材料，将碳纤维增强的ZrB2-SiC复合陶瓷（ZSCF）与Ti6Al4V合金（TC4）进行真空钎焊（Vacuum Brazing），并研究不同保温时间对钎焊接头界面微观结构和剪切强度的影响。

研究流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. 材料准备

   • TC4合金：采用商业化的Ti-6Al-4V合金，切割成10 mm × 10 mm × 4 mm的样品。
     
   • ZSCF陶瓷：通过前驱体浸渍裂解（Precursor Impregnation and Pyrolysis, PIP）法制备，使用微米级和纳米级ZrB2粉末、液态聚碳硅烷（PCS）和T700碳纤维。
     
   • Ag-Cu填充材料：使用商业化的Ag-28Cu（wt.%）共晶合金，厚度为100 μm。

2. 样品预处理

   • 将TC4合金和ZSCF陶瓷样品用SiC砂纸打磨至800#、1000#、1200#和2000#，并在无水乙醇中超声清洗10分钟。

3. 真空钎焊实验

   • 将ZSCF陶瓷和TC4合金样品与Ag-Cu填充材料组装在一起，放入真空炉中进行钎焊。
     
   • 钎焊温度为800°C，保温时间分别为10分钟、20分钟和30分钟。
     
   • 加热速度为10°C/min，冷却速度为5°C/min。

4. 微观结构分析

   • 使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对钎焊接头的界面微观结构和元素分布进行分析。
     
   • 通过EDS确定界面反应产物的化学成分和可能相。

5. 剪切强度测试

   • 使用万能试验机对钎焊接头进行室温剪切强度测试，加载速度为0.5 mm/min。
     
   • 每种保温时间下取三组数据，取平均值作为最终剪切强度值。

6. 断裂形貌观察

   • 使用SEM观察剪切断裂面的形貌，分析断裂机制。

主要结果

1. 界面微观结构

   • 钎焊接头在800°C保温10分钟时，界面结构为ZSCF/TiC/Ti5Si3/Ag(s,s)/Cu(s,s) + TiC/TiCu/Ti2Cu/(TiC + TiCu)/TC4合金。
     
   • 随着保温时间的增加，Ag(s,s)和Cu(s,s)反应层的厚度逐渐减小，而Ti-Cu反应层的厚度逐渐增加。

2. 剪切强度

   • 保温时间对钎焊接头的剪切强度有显著影响。
     
   • 保温时间为20分钟时，钎焊接头的剪切强度达到最大值39 MPa。

3. 断裂形貌

   • 剪切断裂主要发生在ZSCF/Ag-Cu界面，表现为典型的脆性断裂。

结论

本研究成功使用Ag-Cu共晶合金在800°C下将ZSCF陶瓷与TC4合金进行真空钎焊，实现了良好的冶金结合。主要界面产物包括TiC、Ti5Si3、Ag(s,s)、Cu(s,s)、TiCu和Ti2Cu等。保温时间对钎焊接头的微观结构和剪切强度有显著影响，最佳保温时间为20分钟，此时剪切强度达到最大值39 MPa。研究结果表明，较长的保温时间会导致Ti-Cu合金和Ti5Si3等脆性化合物的形成，从而降低接头强度。

研究的意义与价值

本研究为纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接提供了新的解决方案，具有重要的科学价值和工程应用前景。通过优化钎焊工艺参数，可以有效提高接头的力学性能，为航空航天等领域的高性能材料连接技术提供了理论依据和技术支持。

研究亮点

1. 创新性：首次系统地研究了ZSCF陶瓷与TC4合金的真空钎焊工艺，揭示了界面反应机制和剪切强度的影响因素。
   
2. 实验方法：采用SEM和EDS对界面微观结构和元素分布进行详细分析，为类似研究提供了参考。
   
3. 应用价值：研究结果为纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术提供了新的思路，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

本研究还详细讨论了界面反应产物的形成过程，并通过EDS分析确定了各反应产物的化学成分和可能相。这些结果为理解钎焊过程中的元素扩散和反应机制提供了重要信息。