Формування високоміцних паяних з'єднань нітридокремнієвої кераміки адгезійно-активними припоями системи мідь-галій-титан

кераміка паяний з'єднання адгезійний

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прокопенко А.А., Журавлёв В.С., Найдич Ю.В. Высокопрочные паяные соединения нитридокремниевой керамики // Адгезия расплавов и пайка материалов. - 1997. - Вып. 33. - С. 82-88.

2. Prokopenko A.A., Zhuravlev V.S., Naidich Y.V. Brazing of Si3N4 by active Cu-Ga-Ti filler alloys // Journal of Materials Science Letters. - 1998. - V 17. - N 24. - P. 2121-2123.

3. Прокопенко А.А., Журавлёв В.С., Найдич Ю.В. Природа эффекта упрочнения при-пойного слоя в тонких швах паяных соединений нитридокремниевой керамики // Электронная микроскопия и прочность материалов. - 1999. - Вып. 10. - С. 167-172.

4. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Koval A.Y. Wetting of Si3N4 by ternary Ti-containing alloys // Transactions of Joining and Welding Research Institute. - 2001. - V 30 (Special Issue). - P. 131-135.

5. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Kostyuk B.D., Gab I.I., Naidich Y.V. Joining of Si3N4 with Ti-active Cu-Ga and Cu-Sn filler alloys // Proceedings of the 2-nd International Conference on High Temperature Capillarity (HTC'1997), June 29 - July 3, 1997, Cracow (Poland), edited by N. Eustatopoulos. - 1997. - P. 299-305.

6. Zhuravlev V.S., Grigoriev O.N., Prokopenko A.A., Mayboroda E.G., Bega N.D., Nai-dich Y.V. Formation of brazed joints of Si3N4 ceramic-metal with use of ceramic interlayers with various thermoexpantion // Abstracts of International Conference on Advanced Materials (AM'1999), October 4 - 7, 1999, Kiev (Ukraine). - 1999. - P. 76.

7. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Krasovskaya N.A. Titanium solvent second compo-nent influence on silicon nitride ceramic wetting by melts based on Cu-Ti // Abstracts of International Conference on Advanced Materials (AM'1999), October 4 - 7, 1999, Kiev (Ukraine). - 1999. - P. 82.

8. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Naidich Y.V. High-temperature strength of the silicon nitride brazed joints // Abstracts of International Conference on Materials and Coatings for Extreme Environments (MEE'2000), September 18 - 22, 2000, Katsiveli (Ukraine). - 2000. - P. 149.

Прокопенко О.А. Формування високоміцних паяних з'єднань нітридокремнієвої кераміки адгезійно-активними припоями системи мідь-галій-титан. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, 2002.

Досліджено процеси формування та властивості з'єднань нітридокремнієвої кераміки Si3N4/Si3N4, паяних за допомогою Cu-Ga-Ti адгезійно-активного припойного сплаву. Встановлено вплив галію на змочування і формування структури перехідних шарів в системі Si3N4 - Cu-Ga-Ti, який полягає у зменшенні інтенсивності руйнування контактуючого шару кераміки. Встановлено ефект впливу товщини припойного шару на його міцність в складі з'єднання, який полягає в зменшенні ефективної довжини нагромадження дислокацій в площині ковзання в пластичному прошарку на основі мідно-галієвої фази за рахунок появи і перекриття в центральній області з'єднання твердих фаз нітридів і силіцидів титану. Запропоновано напрямки зниження залишкових термонапружень в області з'єднання за рахунок зменшення товщини металевого прошарку та (або) внаслідок застосування відпалу. Отримано високоміцні паяні з'єднання Si3N4/Cu-Ga-Ti/Si3N4 з середньою міцністю на згин при кімнатних температурах 740 МПа (модуль Вейбула m = 12), що становить 90 % від міцності монолітної кераміки. Високотемпературна міцність з'єднань практично не змінюється до 400 °C, а при 600 °C і 800 °C становить не менше 300 МПа і 100 МПа відповідно. Наведено рекомендації щодо оптимізації технологічного процесу.

Ключові слова: нітрид кремнію, адгезійно-активний припій, змочування кераміки розплавом, формування структури перехідних шарів, нагромадження дислокацій в площині ковзання, залишкові термонапруження, міцність на згин, статистичний аналіз за Вейбулом.

Прокопенко А.А. Формирование высокопрочных паянных соединений нитридокремниевой керамики адгезионно-активными припоями системы медь-галлий-титан. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена исследованию процессов формирования и свойств соединений нитридокремниевой керамики Si3N4/Si3N4, паянных при помощи Cu-Ga-Ti адгезионно-активного припойного сплава, с целью получения соединений с высокими показателями прочности.

В литературном обзоре обоснована актуальность темы и приведён анализ достижений и проблем в области формирования высокопрочных неразъёмных соединений на основе конструкционной нитридокремниевой керамики.

Методическая часть посвящена описанию материалов и объектов исследования, методик и аппаратуры, погрешностей измерений и процесса математической обработки результатов. Изучение смачивания керамики металлическими расплавами производили в вакууме методом покоящейся капли; процесс пайки осуществляли в высоковакуумной печи; испытания прочности производили на изгиб по 3-х точечной схеме нагружения в широком диапазоне температур в обычной атмосфере; исследо-вания микроструктуры и распределения химических элементов в области соединения Si3N4/Cu-Ga-Ti/Si3N4 осуществляли с помощью сканирующего электронно-зондового микроанализатора.

В результате проведённых комплексных исследований процессов смачивания и контактного взаимодействия в системе керамика Si3N4 - Cu-Ga-Ti расплав установ-лено влияние галлия на формирование и структуру переходных слоёв на межфазной границе, которое состоит в уменьшении интенсивности разрушения контактирующего слоя нитридокремниевой керамики за счёт снижения растворения Si3N4 в припое под влиянием выбранного состава растворителя титана. Разработаны состав Cu-Ga-Ti адгезионно-активного припойного сплава и методика формирования паянных соединений Si3N4/Si3N4.

Изучены характеристики прочности паянных соединений в широком интервале температур от 20 °С до 800 °С с применением статистического анализа по методике Вейбулла. Обнаружены и проанализированы изменения характера разрушения содинений с когезионного по керамике на когезионный по припойному слою в зависимости от соотношения прочностей керамики и припойного слоя. Установлено, что прочность припойного слоя зависит от его толщины и от температуры испытания. Исследованы термомеханические свойства исходных припойных сплавов.

Установлен эффект влияния толщины припойного слоя на его прочность в составе соединения, который заключается в уменьшении эффективной длины нагромождения дислокаций в плоскости скольжения в пластичной прослойке на основе медно-галлиевой фазы за счёт появления и перекрытия в центральной области соединения твёрдых фаз нитридов и силицидов титана, которые образовались в результате химического взаимодействия керамики Si3N4 с Cu-Ga-Ti припойным расплавом.

Исследовано влияние толщины металлической прослойки на прочность кера-мики в составе соединения; показано, что, чем меньше толщина, - тем выше прочность. Обнаружено и проанализировано влияние отжига на характер разрушения и показатели прочности керамики в составе соединения; - применение отжига приводит к уменьшению дисперсии значений прочности практически в два раза. Предложены пути повышения показателей прочности паянных соединений, которые состоят в уменьшении величины внутренних остаточных термонапряжений в керамике вблизи области соединения за счёт уменьшения толщины металлической прослойки и (или) вследствие применения отжига.

Разработана и усовершенствована методика формирования соединений Si3N4/Cu-Ga-Ti/Si3N4, посредством которой получены паянные соединения с рекордной на сегодня прочностью - со средним значением на изгиб при комнатных температурах 740 МПа (минимальная - 640 МПа, максимальная - 950 МПа), что составляет 90 % от средней прочности монолитной керамики, и с дисперсией значений прочности на уровне монолитной керамики - модуль Вейбулла m = 12. Высокотемпературная прочность паянных соединений практически не изменяется до 400 °С, а при 600 °С и 800 °С составляет не менее 300 МПа и 100 МПа соответственно, что расширяет границы их практического применения на область умеренных эксплуатационных температур. Приведены практические рекомендации по оптимизации технологи-ческого процесса формирования надёжных высокопрочных паянных соединений Si3N4/Cu-Ga-Ti/Si3N4.

Ключевые слова: нитрид кремния, адгезионно-активный припой, смачивание керамики расплавом, формирование структуры переходных слоёв, нагромождение дислокаций в плоскости скольжения, остаточные термонапряжения, прочность на изгиб, статистический анализ по Вейбуллу.

Prokopenko A.A. High-strength silicon nitride brazed joints forming by the adhesion-active fillers of copper-gallium-titanium system. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.02.01 - materials science. - The Institute for Problems in Materials Science of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

Forming processes and properties of the silicon nitride Si3N4/Si3N4 joints brazed by Cu-Ga-Ti adhesion-active filler alloy has been investigated. It has been determined the gallium influence on wetting and forming of transition layers structure in Si3N4 - Cu-Ga-Ti system, that consists in decreasing of intensity of the ceramic's contact layer demolishing. It has been determined the effect of the joints filler layer thickness influence on its strength, that consists in decreasing of the effective length of piling-up of dislocations in the slip plane at the plastic interlayer based on copper-gallium phase, caused by appearance and contact at the joint's central area of titanium silicides and nitrides hard phases. It has been proposed the ways of reducing of retaining thermostresses at the joint's area by decreasing of the metal layer's thickness and (or) owing to applying of annealing. High-strength brazed joints Si3N4/Cu-Ga-Ti/Si3N4 with average room temperature bending strength of 740 MPa (Weibull modulus m = 12), which is 90 % of the monolithic ceramic strength, has been obtained. High-temperature strength of the joints practically does not change to 400 °C, and it is not less than 300 MPa and 100 MPa at 600 °C and 800 °C respectively. The recommendations for the technological process optimisation are presented.

Key words: silicon nitride, adhesion-active filler, wetting of ceramic by melt, forming of transition layers structure, piling-up of dislocations in the slip plane, retaining thermo-stresses, bending strength, Weibull's statistical analysis.

Размещено на Allbest.ru