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反应烧结碳化硅陶瓷素坯连接的研究 叶春燕，武七德，邓明进 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉 (430070) E-mail：xxycy8311@163.com 摘 要：以碳化硅和碳为糊料的主要原料，采用素坯连接的方法焊接RBSC 陶瓷。探讨了糊 料的碳密度、固相体积含量以及碳化硅颗粒级配对焊缝显微结构和机械性能的影响。研究表 明，糊料碳密度为0.84 ～0.86 g·cm-3 ，固相体积含量达57vol ％，焊料粘度略大于1Pa·s 时， 连接素坯烧结后的焊缝强度可达375MPa。研究表明焊缝具有和母材相似的显微结构是连接 强度得以提高的原因。 关键词：碳化硅，RBSC ，素坯连接 中图分类号：TQ174 1. 引言 反应烧结碳化硅(RBSC)陶瓷材料具有极高的硬度，因此冷加工性能差，制造尺寸大和 形状复杂的零件较为困难。为了适应各种复杂形状零部件的工作需要，一般采用陶瓷间或陶 瓷与金属间的连接来实现复杂形状制品的组装。 目前，RBSC 陶瓷的连接方法主要有陶瓷先驱体聚合物连接法[1,2]、反应成形连接法[3~5] [6] 和素坯连接法 等。陶瓷先驱体聚合物连接法是通过陶瓷先驱体粘结剂在高温时发生裂解转 化为无机陶瓷来实现基体间连接，由于接头微观组织均匀性较差，连接强度不高。反应成形 连接法是以RBSC为基体来焊接，将焊料涂覆于基体接头处，然后高温下渗硅烧结。文献报 道了采用纯碳糊料渗Si烧结方法实现RBSC 的焊接[7]，在焊缝的尺寸为35～50µm时，焊缝的 室温强度达到465MPa 。但反应成形连接法是对RBSC陶瓷的焊接，这无疑增加料制造成本。 素坯连接法具有工艺简单，可实现一次成型烧结，节约成本等优点，目前采用素坯连接RBSC 陶瓷材料少有报道，本文探索采用C/SiC糊料渗Si烧结方法实现RBSC素坯的连接，讨论了糊 料的配方、固相体积含量对材料的物相组成及焊接强度的影响。 2. 实验 本实验采用的原料主要有碳化硅（SiC:99%）、炭黑（C:99.1 ％）、金属硅（Si:98.6 ％）、 粘结剂糊精。原料的混合采用湿法球磨，素坯在 50MP 的单向压力下干压成型为 Ø40mm×5mm 的圆片，排胶后用砂纸将待连接的表面处理干净、平滑，然后将糊料涂覆于待 连接的表面，稍微施加压力使素坯连接起来。连接后素坯在常温下干燥，于 N2 气保护下 450 ℃焙烧炭化，炭化后的坯体在真空下渗Si 烧结。 采用美国MTS-810 陶瓷测试系统以三点弯曲法测试焊缝强度，试样尺寸为3×4×38mm， 跨距30mm，加载速率0.5mm/min ；以国产4XA 金相显微镜对焊缝断面进行显微结构分析。 3. 结果与讨论 3.1 糊料的固含量对焊缝强度的影响 从图1可以看出，随着糊料固相体积含量的增大，焊缝强度也随之增大，当糊料的固相 含量达到57 vol ％时，强度达到最大值375MPa ；但是，当固相含量进一步增加时，强度急剧 下降。从图2 中看出，固相含量越高，糊料的粘度将越大，糊料中夹杂的气体难以排出从而 形成孔洞，在烧结过程中被游离硅填充，焊缝中出现大硅斑（图3a ）。当糊料的固相体积含 -1- 量较小时，因含水量大，糊料在涂覆后干燥收缩严重，使焊缝与基体间出现缝隙，烧结后被 大量的游离硅填充（图3b ），严重影响了焊缝的强度特别是高温强度。通过调整原料的颗粒 级配，当糊料的固相含量在57vol ％时，焊料粘度略大于1Pa·s时，焊接时夹杂在焊料中的气 泡易排出，烧结后( 图3c)焊缝与基体连接紧密，焊缝中游离硅呈网络状分布，无大硅斑，SiC 颗粒分布较均匀，与基体结构相近，强度测试时断裂出现在基体，焊缝的强度高于基体的强 度。 400 350