非晶复合中间层钎焊—扩散连接Si3N4陶瓷的数值模拟及工艺优化

论文摘要

本文采用非晶复合中间层对Si3N4陶瓷进行钎焊-扩散连接，在研究连接过程动力学的基础上，建立了钎焊-扩散焊连接过程模型；基于ANSYS的虚拟试验平台，采用非线性有限元分析，建立了钎焊-扩散连接的温度场有限元数值计算模型；基于热弹塑性有限元理论建立了应力场有限元数值计算模型，并分析讨论了工艺参数对Si3N4陶瓷接头残余应力的影响。采用用Ti-Zr-Cu-B非晶/Cu/Ti-Zr-Cu-B非晶进行Si3N4陶瓷的钎焊-扩散连接时，界面反应层的生长符合扩散控制的抛物线方程。1323K时，反应层生长因子为j1=1.007×10-7m/s1/2；在1283～1343K的温度范围内，反应层生长的激活能为253.6kJ/mol。等温凝固层X和等温凝固时间t之间满足抛物线关系。在1323K时，等温凝固速率因子j2=3.7×10-7m/s1/2。反应层的增长和等温凝固同时进行，在特定温度下通过改变时间可以协调这两个动力学过程，获得较高的室温连接强度和高温连接强度。通过改变钎料箔层及Cu层的厚度，证实了陶瓷金属钎焊-扩散连接中，靠近陶瓷的金属层厚度对界面反应层厚度具有重要的影响。连接温度和时间一定时，连接强度直接取决于铜层厚度，显然钎料厚度有一最佳值，在本文试验条件下约为70μm。根据建立的Si3N4陶瓷钎焊-扩散连接过程模型，阐述了利用该模型选择连接参数的方法。对于特定的陶瓷连接，在选定的连接温度，首先应根据实验结果和文献的数据确定最佳反应层厚度Z C，目的是获得高连接强度；其次，根据Zc再选择最佳钎料箔带厚度Wmax及铜箔厚度WCu，目的是得到最佳的等温凝固层厚度XCu+XC保证接头耐热性；最后，根据选定的Wmax和WCu再决定连接时间t。根据本文提出的模型并按如上顺序选择参数，可以同时保证连接强度和接头耐热性。对建立的钎焊-扩散连接Si3N4陶瓷的温度场和应力场三维有限元数值模型进行了计算，分别得到连接接头冷却至室温时的温度场云图和等效应力云图。验证了本文所采用的均布温度模型。同时在温度场计算的基础上，定性地研究了焊接过程中残余应力的分布规律。从数值模拟分析中可以看出靠近连接界面的陶瓷表面是钎焊-扩散连接Si3N4陶瓷接头的薄弱地带，适当的试验温度和过渡层厚度有利于降低接头的残余应力，提高接头的耐热性能。建立了Si、Ti、Cu、Zr等元素在连接界面的扩散模型，并进行了数值模拟，通过与实测结果加以比较，可以看出本模型在一定程度上较好地反映了元素在界面的扩散行为，具有其合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Content
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 3N₄ 陶瓷的连接技术'>1.2 Si₃N₄陶瓷的连接技术
• 1.2.1 陶瓷焊接方法的分类
• 1.2.2 焊接陶瓷时的关键问题
• 1.2.3 陶瓷焊接技术的发展前景
• 1.3 焊接数值模拟技术的发展现状
• 1.3.1 焊接接头组织数值模拟现状
• 1.3.2 焊接过程温度场的数值模拟
• 1.3.3 焊接应力一应变的数值模拟
• 1.4 本论文的研究内容和研究目的
• 第2章 试验材料和试验方法
• 2.1 试验材料及试验工艺
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验工艺
• 2.1.3 真空连接设备
• 2.2 有限元法试验方法及其优越性
• 2.2.1 ANSYS 软件简介
• 2.3 焊接温度场分析计算的基本原理
• 2.3.2 非线性热传导分析的收敛判定
• 2.4 焊接应力场分析计算的基本原理
• 2.5 本章小结
• 3N₄ 陶瓷的动力学研究'>第3章 采用 Ti-Zr-Cu-B/Cu/Ti-Zr-Cu-B 连接 Si₃N₄陶瓷的动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 反应层和等温凝固层动力学研究
• 3.2.1 连接温度和时间对反应层厚度影响
• 3.2.2 保温时间对等温凝固层的影响
• 3.2.3 反应层等温凝固层动力学模型研究
• 3.3 本章小结
• 3N₄ 陶瓷钎焊－扩散连接过程模型'>第4章 Si₃N₄陶瓷钎焊－扩散连接过程模型
• 4.1 引言
• 4.2 非晶复合中间层钎焊－扩散连接过程模型
• 4.3 本章小结
• 第5章 陶瓷钎焊-扩散连接接头残余应力分布的数值模拟
• 5.1 陶瓷钎焊扩散焊温度场有限元模型的建立
• 5.1.1 耦合场分析
• 5.2 温度场分析
• 5.2.1 单元类型
• 5.2.2 式样尺寸及材料属性
• 5.2.3 几何模型和网格划分
• 5.2.4 热源模型
• 5.2.5 初始条件
• 5.2.6 加载和求解
• 5.3 应力场分析
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 单元类型
• 5.3.3 试样尺寸及材料参数
• 5.3.4 边界条件
• 5.3.5 计算模型设计及计算过程
• 5.4 数值模拟计算结果及讨论
• 5.4.1 焊接过程中温度场分析结果及讨论
• 5.4.2 焊接过程中残余应力分析结果及讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 陶瓷/金属连接接头区域元素界面行为的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 模型的建立
• 6.3 理论计算
• 5.4 模型的试验验证
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢