编号：CYYJ043950
篇名： La2O3-Y2O3-B2O3-SiO2玻璃连接ZTA陶瓷的微观结构及力学性能研究
作者： 郑浩龙
关键词： ZTA陶瓷; 晶化行为; 热膨胀系数; 玻璃连接; 接头强度;
机构：长春工业大学
摘要： 氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷具有优异的抗蚀性、高硬度和良好的化学稳定性,广泛应用于化工、机械、电子、航空航天等领域。然而,由于陶瓷材料的脆性很大,很难对其进行传统的机械加工,难以获得复杂形状或者大尺寸的部件,因此需要连接技术来解决这一难题。在众多连接方法中,使用玻璃作为焊料获得的接头具有优异的抗氧化性、耐腐蚀性,且玻璃焊料具有热膨胀系数（CTE）可调、与陶瓷材料之间有良好的化学相容性等优点,是一种广泛使用的陶瓷连接方法。因此,本文设计了具有较高CTE的La2O3-Y2O3-B2O3-SiO2（LYSB）基玻璃焊料,以硼硅质量比为变量,对三种玻璃的理化性质进行了表征。最终选择了成分为20La2O3-20Y2O3-20B2O3-20SiO2-20Nb2O5-20Al2O3（wt.%）的玻璃作为焊料并获得了高强度接头,研究了连接工艺对接头微观组织以及力学性能的影响。 本文首先研究了硼硅质量比对微晶玻璃理化性质的影响。研究表明,随着硼硅质量比从3:1降低至2:2以及1:3,LYBS微晶玻璃的CTE从7.56×10-6/℃降低至7.21×10-6/℃;热稳定性先降低后升高,与之对应的晶化激活能先升高后降低。此外,随着硼硅质量比的下降,玻璃的DSC曲线由一个晶化峰变为两个晶化峰。晶化处理后,微晶玻璃内部析出的晶体由Y2O3、YNbO4、Al2O3变为YNbO4、Al2O3再变为YNbO4。由于YNbO4的高CTE,三种微晶玻璃在晶化后的CTE均有提高。同时,由于微晶玻璃内部析出了晶体,晶化后玻璃的密度、硬度均有不同程度的提高。硼硅质量比为3:1的玻璃因晶化后析出大量高密度晶体,其内部产生的裂缝导致抗弯强度显著降低,而另外两种玻璃晶化后析出的晶体对玻璃基体有强化作用,抗弯强度都有所提升。此外,硼硅质量比为2:2的玻璃在ZTA陶瓷上的润湿性最好,其平衡润湿角为10.7°。 结合上述对不同成分微晶玻璃的分析,硼硅质量比为2:2的微晶玻璃由于在晶化处理之后的CTE与ZTA陶瓷的更匹配,且润湿性最好,因此选择该玻璃连接ZTA陶瓷。当连接温度较低（1300℃）时,由于玻璃粘度较高,流动性差,焊缝内部产生气孔缺陷,当连接温度提高至1350℃及以上时,由于玻璃流动性增加,气孔缺陷消失。焊接过程中ZTA陶瓷与焊缝之间形成了三维互锁结构,且互锁层的厚度随着连接温度的提高以及保温时间的增加而随之增加。随着保温时间的延长,焊缝中Zr元素含量越来越高,而Al含量则越来越低,这是因为Al元素扩散到焊缝界面处,为界面处Al2O3晶粒的长大提供了原料。在三点弯曲测试中,通过改变连接温度和保温时间获得的接头均断裂在焊缝中,这是焊缝与母材CTE存在差异导致的。接头抗弯强度随着温度升高或者保温时间的延长而升高,这是因为互锁层的厚度越来越厚,因此接头强度有所上升。对连接温度为1350℃、不同保温时间的接头进行晶化处理,焊缝内部析出晶体。当保温时间为5 min时,晶体为YNbO4和Al2O3,保温时间增加至20 min,由于Al元素的扩散,焊缝内Al含量降低,Al2O3晶体消失,随着保温时间继续增加,Zr元素含量继续升高,促进了La2Si2O7晶体的析出。晶化处理后,接头的抗弯强度获得显著提升,所有接头的断裂位置均位于远离焊缝的母材,平均抗弯强度达到了530 MPa,这是因为晶化处理后焊缝内析出了具有较高CTE的晶体,使得焊缝与母材的CTE更匹配,进而提高了接头强度。