硅化石墨与金属电极的连接技术研究

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	硅化石墨与金属电极的连接技术研究
	陈继春
学位类型	博士
导师	张劲松
	2006-06-08
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料加工工程
关键词	电直热汽车尾气净化硅化石墨金属电极连接有限元法
摘要	电直热汽车尾气装置工作环境具有高温、尾气腐蚀等特点，普通石墨电极因为抗氧化、耐腐蚀等性能存在诸多缺陷而无法直接使用。硅化石墨材料具有比重轻、耐腐蚀等优异的性能，同时还有一定的导电性能，因此作为石墨电极的替代品被应用于电直热尾气净化装置中。但是由于设计的需要，必须将硅化石墨与金属连接使用。基于硅化石墨表面的SiC陶瓷层特殊的晶体结构及性能，硅化石墨与金属的连接十分困难。论文首先叙述了硅化石墨的制备及结构特点。针对硅化石墨/金属接头的工作环境及接头性能指标等因素，选择000Cr30Mo2高纯铁素体不锈钢作为金属电极材料，同时选择4J33低膨胀合金作为对比材料研究金属电极合金元素对接头性能的影响。根据接头承载特点、导电性能以及材料物理性质的差异，设计了两种不同装配方式的圆柱形搭接接头。在论文的第二章，研究了接触反应连接硅化石墨与000Cr30Mo2以及4J33。详细分析了接头的微观组织和反应产物。发现这两种金属与硅化石墨连接均存在临界连接温度，000Cr30Mo2为1180℃而4J33为1150℃左右。此外，分析表明金属合金成分对接头形貌及界面反应有很大影响。000Cr30Mo2/硅化石墨接头内部出现大量的脆性(Fe,Cr)7C3、(Cr2.5Fe4.3Mo0.1)C3沉淀相，同时伴随有贯穿性的开裂现象；4J33接头没有发现裂纹而且没有脆性相生成，但是分布大量条状石墨。分析两种金属与硅化石墨接触反应连接机理认为是界面处Si的扩散导致共晶液相产生，从而获得连接接头。根据第二章的结果，明确如何避免000Cr30Mo2/硅化石墨接头结合区域脆性相(Fe,Cr)7C3的生成成为提高接头力学性能的关键。但是，要阻止反应界面(Fe,Cr)7C3层的形成，必须阻止Cr和C元素扩散到一起。因此，在论文的第三部分试验了添加Cu/Ni复合中间层的过渡液相连接方法。Ni片放置在硅化石墨一侧，Cu片放置在30-2不锈钢一侧。发现在Ni层厚度一定的情况下，随着Cu层厚度的增加，接头剪切强度提高。微观组织检查发现，Cu层厚度达到250μm时，就能有效地抑制反应界面(Fe,Cr)7C3脆性层的形成。但是，Cu/Ni中间层较差的抗氧化性能限制了该方法的应用。综合第二章、第三章的结论，认为合格的硅化石墨/金属电极接头至少应该满足：接头没有或很少脆性相；接头（包括中间层材料）必须具有一定的抗氧化性能。在此基础上提出活性钎焊方法，首先分析了CuAlSiTi活性钎料抗氧化性能、力学性能（维氏硬度）。在此基础上，综合钎料对硅化石墨的润湿性能，选择Cu-2Al-3Si-2Ti作为钎焊硅化石墨的活性钎料。钎焊结果表明，控制钎焊温度在1050℃~1100℃，钎焊保温时间15min左右可以获得性能较好的硅化石墨/000Cr30Mo2钎焊接头。应当指出，当电极尺寸超过6~7mm时，硅化石墨上表面近缝区会出现开裂。在论文的最后部分，采用大型工程模拟软件ANSYS对硅化石墨/000Cr30Mo2钎焊接头残余应力场进行了分析。结果表明，接头形式对接头残余应力场影响很大。比较两种接头形式，二者的应力集中区域都位于钎缝的上下圆角及其附近区域。但是，金属电极作为内圆柱搭接的接头，金属电极以及硅化石墨的近缝区焊后残余较大的拉应力，对接头性能很不利。计算表明在金属电极上开工艺槽可以有效地降低接头的残余应力，而采用空心电极对接头残余应力场几乎没有什么影响；硅化石墨作为内圆柱搭接的接头，金属电极与硅化石墨近缝区焊后则残余了压应力，而且压应力水平没有超过硅化石墨承受极限，因而该接头形式比插接形式有利。冷热疲劳实验的结果表明硅化石墨作为内圆柱搭接的接头有着更好的抗冷热疲劳性能，而且两种接头的热循环裂纹位置均位于硅化石墨基体中。
页数	135
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17004
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	陈继春. 硅化石墨与金属电极的连接技术研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.