论文摘要
由于石墨具有优越的抗热震性、高熔点、高热导率和抗热疲劳性,因此石墨材料具有广阔的应用领域,如碳换向器不仅可以应用在所有的直流电机上,还可以在航空、航天、军工等领域中得到推广与应用。本文采用商用钎料和自己研制的新型钎料对石墨与铜进行钎焊,分析了钎料制备原理和界面反应机理。本文研究结果不仅填补了我国碳换向器生产的技术空白,且为碳基材料与异种金属的连接提供了技术储备。本文选择Ag、Cu、Ti、Sn四种元素作为机械合金化（MA）制备钎料的主要成分。其中,Ag元素的添加方式为Ag单质粉末或者AgCu共晶粉。研究了球磨时间、球料比、元素添加方式等工艺参数对粉末形貌、粒度、合金化程度、钎料熔点的影响。建立了MA的工艺模型,提出了一种点蚀状剥落的局部模型。通过数学模型、动力学模型和热力学模型分析表明,球速越大,Pmax越大,粉末被破碎的程度大;颗粒越小粉末的稳定程度也越大,粉末的温升不足以使粉末融化。本文在机械合金化转速为260r/min,球磨时间为7h时,球磨后的粉末平均直径低于20μm。采用非晶态TiZrNiCu钎料钎焊时,接头的界面结构为石墨/TiC/Ti-Cu、Cu-Zr、Ni-Ti系金属间化合物/Cu基固溶体/Cu,TiC是实现钎料与石墨冶金连接的主要因素。钎焊工艺参数对接头界面组织和性能产生一定的影响。当钎焊温度为1193K、保温时间为900s时,接头获得最佳抗剪强度26MPa;在1223K/900s和1173K/600s参数下获得接头的平均电阻为3.3 m?和3.2 m?,均满足使用要求。但是从电阻极差、相邻叶片电阻差、方差等因素分析,在1223K/900s试验条件下,接头电阻具有最高的稳定性。石墨/AgCuTiSn/Cu钎焊接头的界面结构为石墨/TiC/Ti3Sn+Ag（s.s）+Cu-Sn化合物+Cu（s.s）/Cu（s.s）/Cu。随着钎焊工艺参数的增加,白色Ag（s.s）的尺寸和分布面积减少,钎料向Cu母材侧的晶间渗入增强,黑色的金属间化合物相明显长大。石墨侧发现了“须”状组织,其随着钎焊工艺参数的提高先增多、增长、增大,然后减少,直至消失,这种变化将对接头的力学性能带来一定的影响。结果表明:当钎焊温度为1093K,保温时间为900s时,接头获得最大的抗剪强度24MPa。另外,接头的断裂位置与钎焊工艺参数有关。在最佳的工艺参数下,断裂几乎全部发生在石墨母材处,接头的抗剪强度最高。采用AgCuTiSn钎料对石墨/Cu进行连接时,Sn元素熔化形成了液相通道,加速了其它元素的扩散、反应,使得钎料熔化,达到了降熔的作用;同时,为钎焊过程提供了活泼的Ti原子。采用AgCuTi和AgCuTiSn钎料对实际件进行焊接,并试车运行。结果表明,换向器工作状态稳定,该产品的使用寿命达到15000h以上,可以达到传统换向器使用寿命的5倍。本文建立了石墨/TiZrNiCu/Cu接头界面反应层成长动力学方程,并分析了石墨/AgCuTiSn/Cu钎焊界面的反应机理。通过研究钎料与碳基材料的反应机理可知,Ti基钎料实现连接主要是利用Ti与C反应生成TiC;Cr基钎料实现连接主要是在界面反应层处产生一定厚度的CrmCn相反应层,其种类受到钎焊温度、保温时间和钎料中含有的其它元素来决定。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题的背景与意义1.2 碳材料的特性及连接难点1.2.1 石墨材料的特点1.2.2 石墨与金属连接的难点1.3 碳材料连接的研究现状1.3.1 粘结1.3.2 活性金属浇注技术1.3.3 钎焊连接1.4 碳材料与铜连接的研究现状1.5 机械合金化（Mechanical Alloying MA）的研究现状1.5.1 机械合金化的过程的唯象学描述1.5.2 机械合金化的理论研究进展1.6 碳换向器研究进展1.7 本课题的主要研究内容第2章 试验材料和方法2.1 试验材料2.2 试验设备与工艺2.3 微观分析及性能检测第3章 机械合金化合成AgCuTiSn钎料3.1 引言3.2 钎料选配原则3.2.1 金属的导电性分析3.2.2 温度对Cu母材晶粒度的影响3.2.3 石墨的润湿性3.3 钎料的配制3.3.1 金属元素粉末的选用与配制3.3.2 粉末的原始形貌3.4 试验结果3.4.1 SEM观察3.4.2 TEM观察的粉末形貌3.4.3 XRD分析3.4.4 DSC及DTA结果3.5 分析与讨论3.5.1 机械合金化运动学分析3.5.2 过饱和固溶体的形成3.5.3 MA工艺的机理模型3.6 本章小结第4章 石墨与Cu钎焊接头的界面结构4.1 引言4.2 接头界面组织结构4.2.1 石墨/TiZrNiCu/Cu 接头界面组织4.2.2 石墨/AgCuTiSn/Cu 接头界面组织4.2.3 石墨/NiCrPCu/Cu 接头界面组织4.3 工艺参数对石墨/TiZrNiCu/Cu 接头界面结构的影响4.3.1 钎焊温度对界面结构的影响4.3.2 保温时间对界面结构的影响4.4 工艺参数对石墨/AgCuTiSn/Cu 接头界面结构的影响4.4.1 钎焊温度对界面结构的影响4.4.2 保温时间对界面结构的影响4.5 本章小结第5章 石墨与 Cu 钎焊接头性能研究5.1 引言5.2 石墨/TiZrNiCu/Cu 接头性能及其影响因素5.2.1 工艺参数对接头抗剪强度的影响5.2.2 生成相对接头性能的影响5.2.3 工艺参数对接头电学性能的影响5.3 工艺参数对石墨/AgCuTiSn/Cu 接头性能的影响5.3.1 钎焊温度对接头抗剪强度的影响5.3.2 保温时间对接头抗剪强度的影响5.4 石墨/AgCuTiSn/Cu 钎焊接头的断裂位置及断口形貌分析5.4.1 较低工艺规范下钎焊接头的断裂位置及断口形貌5.4.2 较高工艺规范下钎焊接头的断裂位置及断口形貌5.4.3 优化工艺规范下钎焊接头的断裂位置及断口形貌5.5 石墨/NiCrPCu/Cu 接头力学性能5.6 换向器的成品焊接5.7 本章小结第6章 碳基材料钎焊界面反应机理6.1 引言6.2 石墨/TiZrNiCu/Cu 钎焊过程中的反应层的成长行为6.2.1 TiZrNiCu 钎料钎焊的界面反应层成长行为6.2.2 TiZrNiCu 钎料钎焊的界面反应层成长动力学方程求解6.3 AgCuTiSn 钎料钎焊连接机理6.3.1 界面连接机理6.3.2 石墨/AgCuTiSn/Cu 连接机理研究6.4 含Ti 活性元素钎料的钎焊机理6.5 含Cr 元素钎料的钎焊机理6.6 本章小结结论参考文献攻读博士学位期间发表的学术论文专利致谢个人简历
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