Microstructure and properties of ZrO2 ceramic and Ti-6A-4V alloy vacuum brazed by Ti-28Ni filler metal

• Autorzy: Li Hong , Liu Xuan , Huang Haixin

Identyfikatory

DOI

10.26628/wtr.v91i10.1076

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i właściwości złącza ceramiki ZrO2 i stopu Ti-6A-4V lutowanego próżniowo spoiwem Ti-28Ni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Reliable ceramics/metal joints have an extensive application in the aerospace and biomedical area. However, ZrO2 ceramic has not been investigated systematically compared to the Si3N4 and Al2O3 ceramic. Therefore, successful brazing of ZrO2 ceramic and Ti-6A-4V alloy was achieved by using a binary active Ti-28Ni filler metal in this paper. The effect of holding time on the microstructure of ZrO2 ceramic/filler metal interface and mechanical properties of brazed joints was investigated. The results indicated that the representative interfacial microstructure was ZrO2 ceramic/Ti2O/Ni2Ti4O/Ti-rich phase/ Ti2Ni+α-Ti. With the increase of holding time, the thickness of Ti-rich layer in the interface of ZrO2/Ti-6Al-4V joint decreased obviously due to the diffusion of Ti atoms. Substantial brittle intermetallic compounds Ti2Ni and Ni2Ti4O were formed in the joint, which were detrimental to the mechanical properties of the brazed joints. The maximum shear strength of joint was 112.7 MPa when brazed at 1060 °C for 10 min.

PL

Niezawodne połączenia ceramiki/metalu mają szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i biomedycznym. Jednak ceramika Zr02 nie była badana systematycznie w porównaniu z ceramiką Si3N4 i Al2O3. W niniejszym artykule przeprowadzono udany proces lutowania ceramiki Zr02 i stopu Ti-6A-4V, który został osiągnięty dzięki zastosowaniu binarnie aktywnego metalu wypełniającego Ti-28Ni. Zbadano wpływ czasu trwania połączenia na mikrostrukturę powierzchni ceramicznej/metalu wypełniającego ZrO2 oraz właściwości mechaniczne lutowanych połączeń. Wyniki wskazują, że reprezentatywną mikrostrukturą międzyfazową była ceramika ZrO2/Ti2O/Ni2Ti4O/faza bogata w Ti/Ti2Ni+α-Ti. Wraz ze wzrostem czasu trwania połączenia, grubość warstwy bogatej w Ti w interfejsie złącza ZrO2/Ti-6AI-4V zmniejszyła się z powodu dyfuzji atomów Ti. W spoinie powstały znaczne kruche związki międzymetaliczne Ti2Ni i Ni2Ti4O, które były szkodliwe dla właściwości mechanicznych lutowanych połączeń. Maksymalna wytrzymałość złącza na ścinanie wynosiła 112,7 MPa po lutowaniu w 1060 °C przez 10 min.

Słowa kluczowe

EN

ZrO2; ceramic; Ti-6A-4V alloy; vacuum brazing; interface microstructure; mechanical properties

PL

ceramika; ZrO2; stop Ti-6A-4V; lutowanie próżniowe; mikrostruktura; połączenie; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Welding Technology Review
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 91, nr 10
• Strony: 35--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Li Hong

• College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, P. R. China

autor

Liu Xuan

• College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, P. R. China

autor

Huang Haixin

• College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, P. R. China

Bibliografia

• [1] Feng J., Dai X., Wang D., Li R., Cao J., Microstructure evolution and mechanical properties of ZrO2/TiAl joints vacuum brazed by Ag–Cu filler metal, Materials Science and Engineering: A, 2015, Vol. 639, 739-746.
• [2] Wang N., Wang D.P., Yang Z.W., Wang Y., Interfacial microstructure and mechanical properties of zirconia ceramic and niobium joints vacuum brazed with two Ag-based active filler metals, Ceramics International, 2016, Vol. 42(11), 12815-12824.
• [3] Hanson W.B., Ironside K.I., Femie J.A., Active metal brazing of zirconia, Acta Materialia, 2000, Vol. 48(18-19), 4673-4676.
• [4] Munoz M.C., Gallego S., Beltran J.I., Cerda J., Adhesion at metal-ZrO2 interfaces, Surface Science Reports, 2006, Vol. 61(7), 303-344.
• [5] Dewidar M., Mohamed H.F., Lim J.K., A new approach for manufacturing a high porosity Ti-6Al-4V scaffolds for biomedical applications, Journal of Materials Science and Technology, 2008, Vol. 24(6), 931-935.
• [6] Jiang G.Q., Development of ceramic-to-metal package for BION microstimulator, 2005.
• [7] Dai X., Cao J., Liu J., Su S., Feng J., Effect of holding time on microstructure and mechanical properties of ZrO2/TiAl joints brazed by Ag-Cu filler metal, Materials & Design, 2015, Vol. 87, 53-59.
• [8] Smorygo J.S., Kim M.D., Kim T.G. Eom., Evolution of the interlayer microstructure and the fracture modes of the zirconia/Cu–Ag–Ti filler/Ti active brazing joints, Material Letters, 2007, Vol. 61(2), 613-616.
• [9] Guo W., Zhang H., Ma K., et al., Reactive brazing of silicon nitride to Invar alloy using Ni foam and AgCuTi intermediate layers, Ceramics International, 2019, Vol. 45(11), 13979-13987.
• [10] Sun R., Zhu Y., Guo W., et al., Microstructural evolution and thermal stress relaxation of Al2O3/1Cr18Ni9Ti brazed joints with nickel foam, Vacuum, 2018, Vol. 148, 18-26.
• [11] Liu Y.H., Hu J.D., Shen P., Han X.H., Li. J.C., Microstructural and mechanical properties of jointed ZrO2/Ti–6Al–4V alloy using Ti33Zr17Cu50 amorphous brazing filler, Materials & Design, 2013, Vol. 47, 281-286.
• [12] Cao J., Song X.G., Li C., Zhao L.Y., Feng J.C., Brazing ZrO2 ceramic to Ti–6Al–4V alloy using NiCrSiB amorphous filler foil: Interfacial microstructure and joint properties, Materials Characterization, 2013, Vol. 81, 85-91.
• [13] Dai X., Cao J., Liu J., et al., Interfacial reaction behavior and mechanical characterization of ZrO2/TC4 joint brazed by Ag-Cu filler metal, Materials Science & Engineering A, 2015, Vol. 646, 182-189.
• [14] Dai X., Cao J., Wang Z., et al., Brazing ZrO2 ceramic and TC4 alloy by novel WB reinforced Ag-Cu composite filler: Microstructure and properties, Ceramics International, 2017, Vol. 43, 15296-15305.
• [15] Bian H., Zhou Y., Song X., et al., Reactive wetting and interfacial characterization of ZrO2 by SnAgCu-Ti alloy, Ceramics International, 2019, Vol. 45(6), 6730-6737.
• [16] Song X., Ben B., Hu S., et al., Vacuum brazing high Nb-containing TiAl alloy to Ti60 alloy using Ti-28Ni eutectic brazing alloy, Journal of Alloys & Compounds, 2017, Vol. 692, 485-491.
• [17] Zhang C., Qiao G., Jin Z., Interface Reaction Mechanism of Joining Alumina to Kovar with Ni-Ti Active Filler, Rare Metal Materials & Engineering, 2002, Vol. 31(5), 371-374.
• [18] Liu Y., Hu J.D., Shen P., Guo Z.X., Liu H.J., Effects of fabrication parameters on interface of zirconia and Ti-6Al-4V joints using Zr55Cu30Al10Ni5 amorphous filler, Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, Vol. 22(9), 2602-2609.
• [19] Lin K.-L., Singh M., Asthana R., Characterization of yttria-stabilized-zirconia/stainless steel joint interfaces with gold-based interlayers for solid oxide fuel cell applications, Journal of the European Ceramic Society, 2014, Vol. 34(2), 355-372.
• [20] Durov A.V., Naidich Y.V., Kostyuk B.D., Investigation of interaction of metal melts and zirconia, Journal of Materials Science, 2005, Vol. 40(9-10), 2173-2178.