第3 9 卷 第3 期 2 0 1 8 年 3 月 焊 接 学 报 TＲANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol． 39（ 3） ：061 － 066 March 2018 感应加热辅助原位合成 Ti3 SiC2 连接 SiC 陶瓷 韩绍华， 薛丁琪 （ 福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350008） 摘 要： 采用感应加热的方式引燃 Ti-Si-C（ 摩尔比 3∶ 1∶ 2） 及 Ti-Si-C-Al（ 摩尔比 3∶ 1∶ 2∶ 0． 1） 体系的自蔓延燃烧反 应并实现了 SiC 陶瓷间的连接． 通过对不同工艺参数下生成产物中 Ti3 SiC2 相的相对含量的分析，初步优选出最佳 30 A 感应电流下保温 30 min 以及 1 MPa 的连接压力，得到的 SiC / TSC / SiC 和 工艺参数为 50 A 感应电流下加热、 SiC / TSC-Al / SiC 接头平均抗剪强度分别为 32． 9 和 66． 8 MPa． 微观结构和成分分析的结果表明，SiC / TSC / SiC 及 SiC /TSC-Al / SiC 接头处均显示出良好的界面结合，无明显气孔或裂纹等缺陷． XＲD 的物相分析结果表明，SiC / TSCAl / SiC 接头的中间层产物中主要含有 Ti3 SiC2 相及少量 TiC 和 Ti-Si 的化合物； 而 SiC / TSC / SiC 接头则主要以 TiC 为 主，这就导致了前者的平均抗剪强度超过了后者的两倍． 关键词： 感应加热； Ti3 SiC2 ； 原位连接； SiC 中图分类号： TG 454 序 0 文献标识码： A doi： 10． 12073 / j． hjxb． 2018390069 言 于材料烧结、熔焊和钎焊等领域，而将电磁感应加热 与 Ti-Si-C 和 Ti-Si-C-Al 粉末作为中间层联合起来用 Ti3 SiC2 （ TSC） 因其同时具有金属和陶瓷材料的 良好性能而备受瞩目． 这种材料拥有熔点高 （ 3 000 于 SiC 陶瓷连接的研究则尚未见报道． 在基于 SiC 核工业应用的背景下，进行感应加热的方式来点燃 ℃ ） ，密度低 （ 4． 52 g / cm3 ） ，良好的导电 （ 4． 5 × 10 6 －1 －1 Ω ·m ） 和 导 热 性 能 （ 37 W / mK） ，高 弹 性 模 量 Ti-Si-C 三元系间的自蔓延合成反应，并实现与 SiC 陶瓷的快速原位连接的研究． （ 320 GPa） ，以及非常高的抗热震性［1 － 2］． 另外，TSC ［3］ 还具备良好的抗辐射稳定性 ． 由此可见，不管作 1 为结构材料还是中间层连接材料，TSC 都具备了在 高温甚至核工业等特殊场合下应用的巨大潜力． 董 1． 1 ［4 － 5］ 红英等人 采用预烧结的 TSC 粉末与 SiC 陶瓷及 其复合材料的连接进行了一系列的研究． Zhou 等 试验方法 试验材料及设备 试验所用 的 SiC 陶 瓷 由 上 海 硅 酸 盐 研 究 所 提 供，由 HIP 烧 结 工 艺 制 备 所 得 （ 纯 度 99% ，密 度 采用陶瓷的流延成形法将 Ti3 SiC2 粉体制成薄 片然后利用放电等离子烧结法进行 SiC 陶瓷的快速 3． 13 ～ 3． 16 g / cm3 ） ． 制成的 SiC 陶瓷切割制成 10 15 min 的工 连接． 这种加热方式下可以在 1 300 ℃ ， 艺条件下就得到抗弯强度超过 80 MPa 的接头，但仍 表面打磨后放入酒精中进行超声波清洗． 所用的钛 粉的平均粒径为 3 μm； 硅粉的平均粒径为 74 μm； 然难以避免要使用较大的连接压力 （ 50 MPa） ． Jimenez 等人［7］ 首先进行了 TSC 的自蔓延反应合成，然 碳粉的平 均 粒 径 为 44 μm； 铝 粉 的 平 均 粒 径 为 25 μm． 首先将钛，硅及石墨的粉末按 3∶ 1∶ 2，钛，硅，石 后再进行了多层 SiC 镀层 C f / SiC 复合材料的连接． 而采用 Ti-Si-C 粉末混合物直接作为中间层进行 SiC 墨和铝的粉末按 3 ∶ 1 ∶ 2 ∶ 0． 1 的摩尔比进行充分混 合，称取 0． 2 g 的粉末混合物后在 390 MPa 的压力下 ［8 － 9］ 连接的研究则非常少见． Ｒosa 等人 利用微波能 进行了 Ti-Si-C 的反应烧结及与 SiC 陶瓷的原位连 冷压成直径为 14 mm 的圆形薄片． 把两块 SiC 基 体与粉末压坯叠加成“三明治 ”的形式并一同置于 接． 但对连接机理的研究不够深入，得到的接头抗 剪强度的数值波动很大． 电磁感应加热已经广泛用 石墨模具内（ 图 1） ． 试验中以感应加热的形式对试 样进行加热，使用的是深圳双平电源技术有限公司 ［6］ 人 收稿日期： 2016 － 09 － 18 基金项目： 国家自然科学基金青年项目（ 51305081） mm × 10 mm × 3 mm 规格的试样，在试验前对待连接 生产的高频感应电源，型号为 SPY － 40，最大输出功 率为 40 kW，输出电流范围为 0 ～ 100 A，电流频率范 围为 30 ～ 100 kHz； 使用的感应加热炉体为自主设计 焊 62 接 学 报 第 39 卷 制造． 该加热炉体除了可以实现真空或惰性气体保 护下的感应加热外，还具备机械及液压双重形式的 貌及微区成分分析，使用 X 射线衍射仪 （ XＲD） 进行 物相分析，以研究中间层产物的相组成． 加压． 既可以以机械加压的形式对试样进行微小压 力的加载，也可以以液压方式对试样施加大的压力 ． 2 在 SiC 陶瓷的连接试验中，小压力的施加既可以提 高基体与母材之间结合的可靠性，又避免了 SiC 陶 2． 1 瓷的脆性破坏． 将试样和石墨模具共同放置于感应 器的中心位置，并施加约 1 MPa 后在 15 L / min 的氩 气保护下进行连接试验． 试验结果与分析 最佳工艺的确定 图 3 为 Ti-Si-C（ 摩尔比 3∶ 1∶ 2） 和 Ti-Si-C-Al（ 摩 尔比 3∶ 1∶ 2∶ 0． 1） 粉末混合物在不同的加热速率下 加热到 1 400 ℃ 左右、保温 10 min 所得到的 DTA 曲 线． 由图 3 可知，Ti-Si-C 在加热速度 10 ℃ / min 下的 DTA 曲线中除了在 1 350 ℃ 出现了一个吸热峰外， 没有出现任何放热峰，而 Ti-Si-C 三元反应是典型的 放热反应； 在 50 ℃ / min 的加热速度下，不论是 TiSi-C 还是 Ti-Si-C-Al 体系都出现了明显的放热峰，且 后者出现放热峰的温度明显低于前者． 由此可见， 过低的加热速度不利于 Ti-Si-C 三元反应的发生，而 低熔点助燃剂铝的加入可以在一定程度上降低反应 50 及 60 A 所需的温度． 图 4 为感应电流分别为 40， 下 的温度 － 时间曲线 ，可达到的最高温度分别为 图1 Fig. 1 SiC 陶瓷接头连接试验的示意图 Schematic set up of joining configuration 在进行 SiC 陶瓷的连接试验前，首先对 Ti-Si-C 粉末混合物在感应加热下单纯的燃烧反应规律进行 了研究． 重点考察了工艺参数对生成产物中 TSC 相 的相对含量的影响，最终在获得的最佳工艺参数下 进行 SiC 的连接试验． 样品的性能及表征 用扫描电镜 SEM 观察 SiC / TSC / SiC 接头界面 处的微观组织形貌，并用能谱 EDS 分析界面两侧元 1． 2 素的分布． 将连接好的试样粘结在铝合金剪切模具 上并一起加热到 150 ℃ 、保温 1 h 粘结剂固化，然后 进行剪切性能的测试，如图 2 所示． 使用扫描电镜 （ SEM） 和能谱仪（ EDS） 对接头断口进行显微组织形 图3 Fig. 3 DTA curves of Ti-Si-C and Ti-Si-C-Al systems 图4 图 2 SiC 陶瓷接头抗弯试验的示意图 Fig. 2 Scheme of the shear test for SiC joint Fig. 4 Ti-Si-C 和 Ti-Si-C-Al DTA 曲线 不同感应电流下的温度曲线 Temperature profile at different induction heating currents 韩绍华，等： 感应加热辅助原位合成 Ti3 SiC2 连接 SiC 陶瓷 第3 期 63 1 340， 1 457 和 1 574 ℃ ； 加热速度则均超过了 2 000 ℃ / min． 由此可知， 3 种加热电流下的加热速度都可 试样中 XＲD 检测得到的图谱用软件 Jade5． 0 获得各 个相的 I 值，代入进去得到相应的 W TiSiC ，W TiC ，W TiSi 以满足连接的工艺需求，但 40 A 下的最高加热温度 偏低，可能会 对 Ti-Si-C 三 元 反 应 的 发 生 产 生 一 定 的值． 影响． 50， 60 A 感应加热反应产物中 见表 1． 由表 1 可知， 根据“绝热法”，通过生成产物中各相的 ＲIＲ 值 就 可 以 得 到 各 相 应 物 相 的 计 算 公 式． 物 相 中 TSC 相的含量分别为 31． 93% ， 28． 51% ，感应电流的 提高反而使其在产物中的相对含量减少． 这是因为 Ti3 SiC2 ，TiC，TiSi2 的质量分数可由如下公式计算得 当温度接近 1 600 ℃ 时，合成的 TSC 相会开始发生 到，即 分解 不同加热工艺下反应产物中各物相的相对含量 ［10］ W TiSiC = W TiC = W TiSi = I TiSiC I TiSiC + 0． 818I TiC + 1． 125I TiSi 1． 22I TiSiC I TiC + I TiC + 1． 375 I TiSi I TiSi 0． 888 9I TiSiC + 0． 727 3I TiC + I TiSi （ 1） 下，由于最高加热温度较低，不但没有 TSC 的生成， 还存在着大量未反应的单质 Si 和 C，因此排除 40 A 和 60 A，选择 50 A 作为 SiC 连接时的感应电流值． （ 2） 50 A 下 Ti-Si-C-Al 的烧结产物中 TSC 相的含量达到 了 62． 81% ，由此可见，烧结助燃剂铝的添加可以极 （ 3） 大提高反应产物中 TSC 的相对含量． 最终确定了在 50 A 感应电流下进行 SiC 陶瓷的连接，一旦反应点 式中： I TiSiC ，I TiC ，I TiSi 分 别 代 表 Ti3 SiC2 （ 104 ） 峰、TiC （ 200） 峰、TiSi2 （ 311） 峰的积分强度； W TiSiC ，W TiC ，W TiSi 分别代表 Ti3 SiC2 ，TiC，TiSi2 的质量分数． 根据每个 表1 Table 1 感应电流 I / A 燃后即采用 30 A 电流进行保温 30 min 以确保反应 的充分进行． 不同工艺下燃烧合成产物的物相及相对