Физические и физико-химические проблемы формирования и прочности паяных соединений нитридокремниевой керамики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича

V. -,

Прокопенко Олександр Анатолійович

УДК 666.3/.7:549.2:546.28 :621.791.364:539.4

ФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОБЛЕМИ ФОРМУВАННЯ ТА МІЦНОСТІ ПАЯНИХ З’ЄДНАНЬ НІТРИДОКРЕМНІЄВОЇ КЕРАМІКИ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

КИЇВ-2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі контактних явищ і пайки неметалевих матеріалів Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Науковий керівник: доктор техн. наук, професор, академік НАН України Наґідич Юрій Володимирович,

Інститут проблем матеріалознавства . НАН України, зав. відділом.

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор, чл. кор. НАН України Мільман Юлій Вікторович,

Інститут проблем матеріалознавства НАН України, зав. відділом;

доктор фіз.-мат. наук, професор Копань Василь Степанович,

Національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізики металів фізичного ф-ту.

Провідна установа. Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова

НАН України, відділ фазових рівноваг, м. Київ.

Захист відбудеться ‘V’У^У£Г^6^?2000 року о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 Інституту проблем матеріалознавства ім. 1-М. Францевича НАН України за адресою: 03142, м. Київ, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Автореферат розісланий УІССІїТК-і' 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради^-^?^% Падерно Ю.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Конструкційні керамічні матеріали, в силу своїх індивідуальних властивостей, знаходять різноманітне застосування в різних областях народного господарства. Особливого значення вони набули в зв’язку зі створенням нових жароміцних, зносостійких елементів газотурбінних двигунів та двигунів внутрішнього згоряння, ідо забезпечило якісно новий крок у розвитку двигунобудування.

Але технологічні розробки часто обмежуються граничними можливостями керамічних матеріалів. Такі негативні властивості кераміки, як крихкість та складність обробки деталей, ставлять питання про використання комбінацій кераміки з іншими матеріалами, особливо з металами. Тому рівень застосування в техніці деталей з керамічних матеріалів в значній мірі залежить від досягнень в розробці способів надійного з’єднання їх між собою та з іншими матеріалами. Надійність і більш широкі можливості пайки, в порівнянні з іншими методами, зробили його найбільш перспективним методом для з’єднання керамічних матеріалів.

Найбільш інтенсивно проводяться дослідження процесів формування високоміцних термостійких' нероз’ємних з’єднань конструкційної нітридокрем-нієвої кераміки, яка, завдяки своїм високим показникам міцності і твердості, особливо при високих температурах, посідає одне з провідних місць в ряду тугоплавких сполук.

Сучасні досягнення в області адгезійного з’єднання конструкційної нітридокремнієвої кераміки не задовольняють в повній мірі конструкторських запитів відносно показників міцності і надійності з’єднань. Більш детальних досліджень потребує ряд фізичних та фізико-хімічних факторів, що впливають на процеси формування, а відповідно, і на механічні властивості нероз’ємних з’єднань конструкційної кераміки. В першу чергу, до таких факторів відносяться процеси контактної взаємодії металевого розплаву з керамікою та структурні особливості формування перехідних шарів в області з’єднання.

Мета та завдання дослідження. Мета даної роботи - отримати високоміцні паяні з’єднання Біз^/ЗізН за допомогою Си-Оа-ТІ адгезійно-активного припою шляхом дослідження і врахування фізичних та фізико-хімічних механізмів їх формування.

Вибір припойного сплаву пов’язаний з урахуванням досягнень при застосуванні Си-ва-Ті адгезійно-активного сплаву для пайки алмазів в роботах, що проводились у відділі раніше. При цьому ставилось завдання не включати до складу припойного сплаву коштовні метали, насамперед срібло, яке в значній кількості (до 70 % ат.) входить до складу традиційних для пайки нітридокремнієвої кераміки Ag-Cu-Ti припоїв.

В роботі ставились і вирішувались наступні задачі:

1. Дослідити фізико-хімічні механізми змочування і контактної взаємодії в системі кераміка 5ЬЫ4 - Си-Са-Ті розплав.

2. Розробити методик)’ формування гаяних з’єднань за допомогою

адгезійно-активного Си-Оа-Ті припою.

3. Дослідити мікроструктуру перехідних шарів в області контакту кераміка -метал і в припойному шарі.

4. Провести дослідження міцності отриманих з’єднань в широкому інтервалі температур (20-^800 °С).

5. Виявити і дослідити впливові фізичні та фізико-хімічні фактори і оптимізу-вати методику формування паяних з’єднань Зіз^/Си-Оа-Ті/БІ^.; з високими показниками міцності і надійності (стабільності цих показників).

Основні одержані результати та їх наукова новизна. Виявлено і досліджено механізми впливу ряду фізичних і фізико-хімічних факторів на процеси формування паяних з’єднань нітридокремнієвої кераміки з високими показниками МІЦНОСТІ’.

1. Досліджено закономірності змочування і контактної взаємодії в системі кераміка - Си-ва-Ті розплав та встановлено механізм впливу Оа на формування і структуру перехідних шарів на міжфазній границі.

2. Проведено випробування міцності та проаналізовано особливості руйнування паяних з’єднань Зі^/Си-Оа-Ті.ЛііТ’-ІА в температурному інтервалі від 20 °С до 800 °С. Досліджено термічні і механічні властивості припойного сплаву.

3. Досліджено вплив структури і товщини припойного шару на його міцність в складі з’єднання та встановлено механізм ефекта зміцнення припойного шару при товщинах до 20 мкм.

4. Проведено аналіз впливу геометричних параметрів та застосування відпалу на залишкові термонапруження в області з'єднання і, як результат, на величину та дисперсію значень міцності паяних з’єднань вцілому.

При цьому, вперше: досліджено механізм ефекта зміцнення тонкого припойного шару в складі з’єднання; виявлено та проаналізовано вплив застосування відпалу на залишкові термонапруження і величину та дисперсію значень міцності з’єднань; запропоновано схему залежності характера руйнування і міцності паяних з’єднань від температури випробування.

На основі проведених досліджень оптимізовано методику формування і отримано паяні з’єднання ЗічМд/Си-Оа-Ті/БізНд з рекордною на сьогодні середньою міцністю - 740 МПа на згин при кімнатних температурах, що складає 90 % від середньої міцності монолітної кераміки, з дисперсією значень міцності на рівні монолітної кераміки - модуль Вейбула ш = 11+12. Високотемпературна міцність цих паяних з’єднань залишається незмінною до 400 °С, а при 600 °С і 800 °С становить не менше 300 МПа і 100 МПа відповідно, що суттєво розширює перспективи їх практичного застосувати.

Практична цінність роботи. Наукові результати даної роботи можуть слугувати базою для подальших досліджень механізмів формування надійних високоміцних термостійких нероз’ємних з’єднань кераміка/кераміка і кераміка/ /метал.

На практиці результати досліджень можуть бути використані для з’єднання деталей із нітриду кремнію складної конфігурації, які не можна отримати за допомогою безпосереднього пресування або механічної обробки, а також для кріплення струмопроводів до керамічних нагрівачів на основі нітриду кремнію.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота була виконана під керівництвом доктора технічних наук, професора Найдича Юрія Володимировича і у тісному співробітництві з кандидатом технічних наук Журавльовим Володиславом Сергійовичем, з якими автор має спільні публікації. Наведені в рукописі результати були отримані здобувачем особисто або за безпосередньої участі при виконанні експериментів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи було пов’язано з двома темами, ідо проводились у відділі за планом наукової програми:

Тема: 1.6.2.5.-97. “Термодинаміка, кінетика та гідродинаміка процесів високотемпературного змочування, контактної взаємодії та адгезії в сучасному матеріалознавстві.Створення та нероз’смні з'єднання нових матеріалів”, Постанова Бюро ВФТПМ НАН України від 26.06.97. Протокол № 5.

Тема: 1.6.2.6.-95/98. “Новий принцип формування нероз’ємних з’єднань керамічних матеріалів та металів - адгезійно-механічне зчленування. Розробка наукових основ, конструкцій, припоїв та технології з’єднування”, Постанова Бюро ВФТПМ НАН України від 24.06.95. Протокол №11.

Апробація роботи. Результати досліджень було оприлюднено в усних доповідях на 3-х міжнародних конференціях: Високотемпературна капілярність (НТС’97, Краків, Польща, 1997); Перспективні матеріали (АМ’99, Київ, Україна, 1.999); Матеріали в екстремальних умовах (МЕЕ’2000, Кацнвелі, Україна, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 3 статті у наукових журналах і збірниках наукових праць та 1 стаття і 4 тези у збірниках доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 176 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, трьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Робота містить 7 таблиць, 24 рисунка і список із 212 літературних джерел, які займають, відповідно, 10, 20 і 18 сторінок.

ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

У першому розділі представлено аналіз досягнень і проблем в області формування високоміцних нероз’ємних з’єднань конструкційної нітридокремнієвої кераміки. Розглянуто особливості формування та механічні властивості паяних з’єднань нітридокремнієвої кераміки. Наведено опис різноманітних методів розв’язку двох головних проблем, що виникають при формуванні паяних з’єднань керамічних матеріалів, а саме - досягнення високого рівня змочування кераміки металевим розплавом і компенсація внутрішніх залишкових термонапружень, що виникають в області контакту кераміка - метал.

Відмічено кращі результати показників міцності нероз’ємних з’єднань і Бі.^/Ме (метал), які були одержані останнім часом за допомогою різних методик - пайка адгезійно-активним припоєм, пайка з попередньою металізацією, з’єднання через частково розчинну рідку фазу, з’єднання через склофазу, дифузійне зварювання.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ

У другому розділі наведено опис матеріалів, об’єктів досліджень, методик, апаратури, похибок вимірів та процесу математичної обробки результатів.

Дослідження змочування кераміки $^N4 металевими розплавами Си-ва-Ті проводили в температурному інтервалі 900+1200 °С з часом витримки 10+30 хв у вакуумі -Ю'3 Па методом нерухомої краплі за допомогою високовакуумного високотемпературного обладнання з дозуючим пристроєм, який дозволяє змінювати склад розплаву безпосередньо під час проведення експерименту.

Процес пайки здійснювався у високовакуумній печі з підтримуючим і навантажуючим пристроєм. У ролі кераміки, що з’єднувалась, використовували горячезпресовану кераміку БізК^ 4-х типів (від різних виробників), з умовним позначенням: £N820, $N590, БЖбО, БШ80, яка мала показники середньої міцності на згин при кімнатних температурах, відповідно: 820 МПа, 590 МПа, 360 МПа, 280 МПа. Геометричні параметри площини з’єднання: 3x20 мм2 (5Ы820); 20x20 мм2 ($N590), 3,5x40 мм2 (БЫЗбО і 5Ш80). Шорсткість з’єднуваних поверхонь: = 0,04 мкм. В якості припою використовували фольги Си-йа

сплаву і Ті, які розміщувались між керамічною парою в різних комбінаціях з загальною товщиною до початку пайки в межах 80+160 мкм. Концентраційні склади припоїв знаходились в межах [Си-І80а]-(9-:-18)Ті в % ат. Зпаяна керамічна пара розрізалась і шліфувалась у вигляді брусів з кінцевим поперечним перерізом переважно 2x4 мм2, з площиною пайки в центральній області зразка. Частина зразків, з метою виявлення впливу застосування відпалу, після механічної обробки відпалювалась у вакуумі ~ Ю'2 Па при температурі 700 °С на протязі 20+30 г. Товщина припойного шару у більшості зразків з’єднань Біз^/Біз^ знаходилась в межах 10+50 мкм.

Випробування міцності зразків паяних з’єднань БідМ^/Си-Оа-Ті/Зіз^ проводили за 3-х точковою схемою згину (база 16 мм) в широкому інтервалі температур від 20 °С до 800 °С в звичайній атмосфері за допомогою розривної машини і пристроїв для реалізації згину і підтримання заданої температури. Індивідуальна міцність б, зразків паяних з’єднань і монолітної кераміки, яка також випробовувалась з метою контролю одержаних результатів, обчислювалась за граничним навантаженням в момент руйнування і-того зразка за стандартним виразом, ідо застосовується для обчислення міцності на згин монолітних пружніх матеріалів:

де б; - значення міцності і-того зразка (Па), Б; - індивідуальне навантаження руйнування (Н), Ь - база при 3-х точковому згині (м); Ь і Ь — поперечні розміри зразка - ширина і висота відповідно (м). Після випробувань міцності проводився аналіз характера руйнування паяних з’єднань за допомогою оптичного мікроскопа. Руйнування паяних з’єднань відбувалося переважно когезійно по кераміці поблизу області з’єднання і значно рідше когезійно по припойному шару.

Практично всі одержані значення міцності паяннх з’єднань і монолітної кераміки були статистично опрацьовані за методикою Вейбула, яка дає додаткову інформацію про ймовірність зруйнування зразка при певному заданому навантаженні. В методичній частині детально розглянуто вихідні положення статистичної теорії Вейбула, яка досить широко використовується для аналізу значень крихкої міцності монолітних матеріалів, і проаналізовано принципові положення її застосовності щодо аналізу значень міцності нероз’ємних з’єднань (не монолітних) керамічних матеріалів.

Дослідження мікроструктури і розподілу хімічних елементів в області контакту - Си-Оа-Ті і в області з’єднання З^УСи-Оа-Ті/БіД',, проводили за допомогою оптичного мікроскопа >Ш-2Е і скануючих електронно-зондових рентгенівських мікроаналізаторів (БЕМ/ЕРМА) БиРЕІІРІІОВЕ 733 фірми ІЕОЬ і САМЕВАХ 5Х 50 фірми САМЕСА.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

У третьому розділі наводяться результати досліджень закономірностей процесів формування і механічних властивостей паяних з’єднань нітридокрем-нієвої кераміки та обговорення механізмів впливу фізичних і фізико-хімічних факторів на процеси формування, характеристики міцності та особливості руйнування з’єднань БізН^Си-Оа-Ті/Біз^.

Закономірності змочування і контактної взаємодії в системі кераміка візГ^-Си-Єа-Ті розплав. Структура перехідних шарів на міжфазнін границі. Вибір режимів пайки.

Результати досліджень концентраційного вмісту адгезійно-активного компоненту - титану С(Ті) на величину крайового кута змочування (0) кераміки ЗізМ4 розплавами Си-Ті і Си-Оа-Ті (рис. 1) показали, що добавки титану в мідь і мідно-галієвий розплав призводять до різкого зменшення 9, і що високий рівень змочування досягається вже при С(Ті) > 8 % ат. Значення роботи адгезії при цьому також зростає майже на порядок - з 270 мДж/м2 до 2320 мДж/м2.

Добавки ва в Си-Ті розплав призводять до покращення змочування кераміки БізКі (рис. 1), що особливо проявляється при низьких концентраціях адгезійно-активної добавки - С(Ті) < 4 % ат., де її вплив ще слабко виражений. Робота адгезії в цій області також різко зростає. Для системи Си-Ті вона збільшується з 270 мДж/м2 до 930 мДж/м2, а для Си-20Са-Ті (% ат.) - з 350 мДж/м2 до 1450 мДж/м" зі збільшенням концентрації Ті від 0 % ат. до 4 % ат.

Рис. 1. Залежність кута змочування 0 (градуси) кераміки БізИд розплавом Си-Єа-ТІ від концентрації Ті (% аг.) при температурі 1150 °С і часі витримки 10+12 хв.

Поверхневий натяг розплавів, при цьому, для систем Си-Ті і Си-20Са-Ті (% ат.) прийнято, відповідно, 1280 мН/м і 1140 мН/м. Подальше збільшення вмісту Ті в обох основах розплавів Си і Си-200а (% ат.) призводить до зближення їх робіт адгезії, що обумовлено домінуючим впливом адгезійно-активної добавки.

Введення С& в Са-Ті розплав приводить до зміни енергетики взаємодії як між компонентами самого розплаву, так і їх енергетики зв’язку з елементами змочуваної кераміки БізМ). При цьому відомо, що азот найбільш екзотермічно взаємодіє з титаном і знижує його термодинамічну активність в розчині в порівнянні з іншими елементами даної системи (Бі, ва, Си).

Для пониження вмісту азоту в розплаві необхідно зменшити розчинність кераміки БізМл в розплаві. Цього можна досягти введенням в розплав компонентів, які послаблюють енергію зв’язку розчинника титану - (Си)Си-ті з компонентами змочуваної кераміки, в даному випадку - зв’язку Си - Бі: Кремній має значну енергію зв’язку з міддю (гранична парціальна ентальпія розчинення кремнію в міді А Н “мси = - 84,4 кДж/моль). Введення в Си-Ті розплав йа, який має малу енергію зв’язку з Бі (діаграма фазових рівноваг Са-Бі простого евтектичного типу) і значну енергію зв’язку з Си (А Н ”оа)Си = - 56,6 кДж/моль), різко зменшує енергію зв'язку (Си)си-Оа-ТІ - [5>І]&М4 і, тим самим, зменшує дисоціацію БідНі.

Введення 18 % ат. Са в Си-Ті розплав також понижує і активність титану (коефіцієнт активності титану в розплаві Си-180а (% ат.) приблизно в 20 разів нижчий, ніж в розплаві чистої міді), що небажано для збільшення рівня змочування. Однак, спостерігається зростання роботи адгезії Си-ба-Ті розплаву до ^N4 зі збільшенням вмісту Оа в розплаві (при постійній концентрації Ті), що свідчить про менший вплив галію на пониження активності титану, ніж азоту, який більш інтенсивно поступає в розплав в системі Біз^ - Си-Ті в порівнянні з системою - Си-Оа-Ті.

Дослідження мікроструктури і розподілу хімічних елементів в області контакту БізК4 - Си-Оа-Ті, які проводились на шліфах поперечного перерізу об’єктів досліджень змочування (керамічна підложка - металевий сплав), з урахуванням можливих реакцій хімічної взаємодії, виявили, що безпосередньо на міжфазній границі з керамікою утворюється тонкий шар нітридів титану, а з металевим сплавом межує помітно товщий пористий шар силіцидотитанових фаз. Порівняльний аналіз показує, що шар нітридотитанових фаз на міжфазній границі системи 5ііТ\гд - Си-Оа-Ті помітно тонший (Юч-ЗО мкм), ніж у системі Біз^ - Си-Ті (30+60 мкм), що свідчить про більшу стабільність кераміки на міжфазній границі при наявності в розплаві галію.

Ефект зменшення інтенсивності руйнування контактуючого шару кераміки шляхом введення в мідно-титановий розплав галію набуває ще більш важливого значення в областях з високими концентраціями титану (С(Ті) > 10 % ат.), перехід до яких обумовлений необхідністю підвищення механічних характеристик припойного сплаву. Початково зформований безпосередньо на міжфазній границі з керамікою суцільний шар нітридотитанових фаз (ТІК і/або Тії^хсі), при умові стабільності контактуючого шару кераміки, запобігає подальшому масо-переносу елементів кераміки в розплав.

Крім того, галій, на відміну від титану, не зкрихчує мідь, що підвищує пластичні характеристики припойного сплаву, які мають важливе значення для релаксації залишкових термонапружень в області з’єднання. Си-Єа-Ті сплав має чітко виражену евтектичну структуру. Виходячи з аналізу подвійних діаграм стану систем Си-Єа, Си-Ті, Са-Ті і ізотермічного перерізу діаграми стану системи Си-Оа-Ті при 800 °С, склади світлої і темної фаз евтектичної структури сплаву в розглядуваній області концентрацій можна ідентифікувати відповідно, як Н-фазу складу ТіСи^йа і а-фазу твердого розчину Оа на основі Си з домішками Ті.

Концентраційні склади характерних припойних сплавів було вибрано виходячи не тільки з результатів досліджень змочування, а і з вимог щодо високих характеристик міцності цих сплавів. В зв’язку з цим, область досліджуваних концентрацій по титану (в подальших дослідженнях) була підвищена до 18 % ат. Ті. Вибір 18 % ат. вмісту Оа в Си основі обумовлений тим, що це є гранична максимальна концентрація галію в області а-фази твердого розчину на основі міді.

Термографічні дослідження характерних припойних сплавів з концентраційними складами в межах [Си-180а]-(8-+18)Ті (% ат.) виявили області їх плавлення в інтервалі 850+930 °С.

Дослідження змочуваная кераміки Бі^ розплавами [Си-180а]-(8+18)Ті (% ат.) в інтервалі температур 900+960 °С у вакуумі ~10‘3 Па (тобто в уже обумовленій області припойнях складів і в умовах, що наближені до режимів пайки) виявили високу змочуватсть нітридокремнієвої кераміки вказаними припойними сплавами уже безпосередньо після їх розплавленім. Час розтікання розплавів не перевищував декількох хвилин. Крайові кути змочування після розтікання складали 15 + 5 °.

Виходячи з результатів даної серії досліджень було вибрано області режимів пайки в наступних межах: температура пайки 920+1020 °С, час витримки 5+20 хв, навантаження на площину пайки 50+250 кПа. Більш оптимальні умови формування паяних з’єднань визначалися надалі в межах цих інтервалів за критерієм - характер руйнування і показники міцності.

Міцність та особливості руйнування паяних з’єднаннь Бі^УСи-Са-Ті/Біз^ при кімнатних температурах. Вплив відпалу і геометричних параметрів області з’єднання на величину і дисперсію значень міцності.

В процесі вивчення механізмів формування нероз’ємних з’єднань Біз^/ /Си-Са-Ті/Бії^ з високими показниками міцності було проведено близько 50 експериментів по одержанню паяних з’єднань, в результаті яких було отримано і випробувано на міцність згином понад 300 зразків паяних з’єднань і понад 50 зразків монолітної кераміки (всіх 4-а типів) в широкому інтервалі температур від 20 °С до 800 °С. Практично всі одержані значення міцності були опрацьовані за статистикою Вейбула. Найбільш важливі результати випробування міцності паяних з’єднань і відповідної монолітної кераміки узагальнено в табл. 1.

Найкращі показники міцності і надійності паяних з’єднань, які були одержані в результаті даних досліджень, представлені групою 3 (кераміка типу 5Ш20) в табл.1 і на рис.2. Середнє значення міцності цих паяних з’єднань сягає 740 МПа, що становить 90 % від середнього значення міцності монолітної кераміки (група 1), яка випробовувалась за тією ж методикою. Мінімальна міцність паяних з’єднань складає 640 МПа, а максимальна - 880 МПа. Розсіяння значень міцності паяних з’єднань практично відповідає розсіянню значень міцності монолітної кераміки: модуль Вейбула для паяних з’єднань т = 11, а для монолітної кераміки ш = 12 (табл. 1, рис.2).

Зразки з’єднань групи 3 були зформовані за стандартною методикою з оптимально підібраним складом припойного сплаву і при оптимально підібраних режимах пайки. Після механічної обробки зразки паяних з’єднань були відпалені у вакуумі при температурі 700 °С на протязі ЗО г. Товщина шва пайки цих з’єднань становила 10 мкм. Руйнування зразків під час випробування відбувалося крихко по кераміці поблизу області з’єднання.

Таблиця 1.

Результати статистичного аналізу значень міцності на згин по 3-х точковій схемі при кімнатних температурах для монолітної кераміки і паяних з’єднань Біз^/Си-Са-Ті/ЗізК.!.

№ групи і графіка. N^1 Оі(мін-макс), Стм (СУі), (ПЗ)/ Б’и (<*■),

Назва групи зразків зразків МПа МПа Оц(МК),% МПа Вейбул

Тип Бтго

1. Монолітна кераміка 18 707-909 821 100 69 12,2

2. Паяні з’єдн.: - відпал 24 453-957 711 87 155 4,8

3. Паяні з’єдн.: + відпал 16 643-886 738 90 70 11,0

Тип БЮ60

4. Монолітна кераміка 16 312-419 360 100 34 11,1

5. Паяні з’єдн.: - відпал 18 210-362 305 85 43 6,8

6. Паяні з’єдн.: + відпал 18 258-381 346 96 29 11,7

7. П. з’єдн.: 10-100 цм шов 18 188-413 284 79 63 4,7

7.1. П. з’єдн.: 10-25 цм шов ■ 6 243-413 325 90 57 (5,5)

7.2. П. з’єдн.: 25-50 цм шов 6 255-374’ 303 84 50 (6,2)

7.3.П. з’єдн.: 50-100цмшов 6 188-276 223 62 30 (7,5)

8. П. з’єдн.: неполіров. пл. 12 191-263 224 62 19 11,8

Тип 90

9. Монолітна кераміка 12 359-822 .590 100 122 4,4

10. П. з’єдн.: пл, 20x20 мм2 24 228-679 484 82 119 3,9

10.1. П. з’єдн.: центральні 4 424-580 501 85 64 (7,6)

10.2. П. з’єдн.: бічні зразки 12 347-679 531 90 96 5,0

10.3. П. з’єдн.: кутові зраз. 8 228-636 406 69 140 (2,8)

Тип $N280

11. Монолітна кераміка 8 243-331 278 100 33 (8,6)

12. Паяні з’єднання 8 173-322 238 85 55 (4,4)

Примітка. Відповідні вирази визначаються як:

де гпм - модуль Вейбула, а с1ы=соп51(М) [Писаренко Г.С., Трощенко В.Т., 1961]:

^ =0,972; ё6 =0,982; а,=0,989; <112=0,998; <іі6 =1,032; сії,=1,049; <1м = 1,086.

Модуль Вейбула т для підгруп із загальною кількістю зразків N<10 наведено умовно: в таблиці ці значення ш в круглих дужках, і є дещо завищеними.

400 £00 600 700 800 900 1000 1100

Рис. 2. Вейбулівський графік розподілу значень міцності на згин по 3-х точковій схемі при кімнатних температурах для монлітної (1) кераміки 5№20 і її паяних з’єднань Бі.іІЧУСи-Оа-Ті/Зі.іМд: невідпалених (2) і відпалених (3).

Результат застосування відпалу добре видно при порівнянні показників міцності груп 2 і 3 (табл. 1, рис.2). Йшшв відпалу головним чином позначився на розсіянні значень міцності паяних з’єднань. Модуль Вейбула т для групи невідпалених зразків більш ніж вдвічі нижчий за модуль Вейбула для відпалених з’єднань (табл.1). Особливо наочно різниця у розсіянні значень міцності спостерігається на Вейбулівському графіку розподілу' (рис.2), оскільки модуль Вейбула пропорційний тангенсу кута нахилу апроксимуючої прямої.

Аналогічний вплив відпалу спостерігається і для паяних з’єднань кераміки типу БN'360 (табл. 1). Керамічні пластини типу БЮбО були підготовлені і зпаяні за стандартною методикою; і після механічної обробки одержані зразки паяних з’єднань були розділені на дві ідентичні групи (5 і б), одна з яких (група 6) була відпалена. Результатом відпалу стало зменшення розсіяння значень міцності майже вдвічі - головним чином за рахунок зміцнення слабких зразків, оскільки одночасно зросло середнє значення міцності в групі б - приблизно на 10 %, в порівнянні з групою 5. Значення модуля Вейбула відпалених паяних з’єднань і монолітної кераміки (група 4) зрівнялися, а середнє значення міцності відпалених паяних з’єднань досягло 96 % від середнього значення міцності монолітної кераміки (табл.1). Частина зразків монолітної кераміки обох типів БК820 і Б№60 також була відпалена разом з паяними з’єднаннями, але на значення міцності монолітної кераміки відпал впливу не мав.

Руйнування відпалених і невідпалених паяних з’єднань відбувалося переважно по кераміці поблизу області з’єднання. Тріщина зароджувалась на деякій ■відстані (г) від міжфазної границі кераміки з припоєм на стороні, що витримує напруження розтягу під час згину, і розповсюджувалась у напрямку до верхньої опори навантажуючого пристроя, наближаючись до припойного шару, а інколи, перетинаючи його. Діапазон значень відстані г, яка вимірювалась за допомогою оптичного мікроскопа, знаходився в межах 0^-2 мм, що відповідає області кераміки з максимальними значеннями нормальних до площини з’єднання внутрішніх залишкових напружень розтягу. Але найбільш ймовірна відстань (г) зародження критичної тріщини руйнування для невідпалених зразків була меншою, ніж для відпалених.

Зважаючи на характер руйнування паяних з’єднань можна зробити той висновок, що причиною руйнування в даному випадку являються залишкові термонапруження в кераміці, яка знаходиться в контакті з металевим припоєм. Внутрішні залишкові термонапруження, які виникають із-за невідповідності коефіцієнтів термічного розширення кераміки - афзМ) « ЗхЮ'1’ К’1 і припойного сплаву - а(Си-Оа-Ті) * 18x10'6 К'1, в кераміці є розтягуючими в нормальному до площини з’єднання напрямку і стискаючими в тангенціальному напрямку, а в металевому припойному шарі і нормальні, і тангенціальні залишкові термонапруження розтягуючі. Саме нормальні розтягуючі внутрішні залишкові напруження сумарно з нормальними розтягуючими напруженнями зовнішнього зусилля при випробуванні на згин створюють максимальні концентрації напружень в кераміці на стороні зразка, що розтягується, на деякій відстані і від міжфазної границі кераміки з металевим припойним шаром, який, завдяки своїй пластичності, частково знижує напруження в самому припойному шарі і в прилеглій кераміці.

В процесі відпалу, за рахунок підвищення пластичності металевого припойного шару, відбувається часткова релаксація внутрішніх залишкових термо-напружень в області з’єднання Бі^/Си-Оа-Ті/Зіз^, в результаті якої етора нормальних до площини з’єднання внутрішніх напружень розтягу стає більш пологою, що призводить до збільшення відстані (г) ймовірного зародження критичної тріщини руйнування в кераміці. Структурних змін в припойному шарі, як виявили електронно-зондові дослідження області з’єднання, в результаті відпалу не спостерігається.

Величину максимальних внутрішніх залишкових термонапружень розтягу в кераміці поблизу області з’єднання можна оцінити по відносній міцності паяних з’єднань (що зруйнувались когезійно по кераміці) до міцності монолітної кераміки. Оскільки відносна міцність цих з’єднань (групи 2, 3 і 5, 6) (табл.1) складає приблизно 90 %, то величина внутрішніх залишкових напружень розтягу (нормальних до площини з’єднання на стороні, що розтягується) становить приблизно 10 % від міцності відповідної монолітної кераміки - це саме та різниш міцностей монолітної кераміки і кераміки в складі з’єднання (поблизу області з’єднання).

Тоді вплив застосування відпалу до цих паяних з’єднань позначився на зменшенні максимальних внутрішніх залишкових напружень в кераміці поблизу області з’єднання в середньому на 30-^40 МПа(табл.І).

Проте, зменшення дисперсії значень міцності паяних з’єднань після застосування відпалу - практично вдвічі (табл. 1) - є значно важливішим у відношенні перспектив практичного застосування цих з’єднань, ніж підвищення середнього значення міцності. Релаксація внутрішніх залишкових напружень в процесі відпалу очевидно завдячує вирівнюванню локальних неоднорідностей в кераміці поблизу області з’єднання, які є причиною зародження критичної тріщини руйнування і високих показників дисперсії значень міцності.

Дослідженая впливу товщини припойного шару на міцність кераміки в складі з’єднання було проведено на паяних з’єднаннях типу БЮбО (група 7), які були одержані за стандартною методикою, але мали різну товщину шва пайки.

Результати значень міцності зразків паяних з’єднань групи 7 (табл.1, рис.З) свідчать, що зі збільшенням товщини шва пайки міцність паяних з’єднань зменшується. Міцність паяних з’єднань з мінімальними товщинами припойного шару сі ~ 10 мкм - максимальна і сягає міцності монолітної кераміки (рис.З). Руйнування всіх паяних з’єднань групи 7 під час випробування на міцність відбувалося когезійно по кераміці поблизу області з’єднання (що й природньо, оскільки міцність самої кераміки типу Б№60 у монолітному стані не перевищує міцності стандартного припойного сплаву).

Вплив товщини припойного шару на міцність кераміки в складі з’єднання, зважаючи на когезійний по кераміці характер руйнування, також можна пояснити зміною величини залишкових термонапружень в кераміці за рахунок зміни товщини металевого прошарку, який ці напруження створює. При збільшенні товщини металевого припойного шару збільшується абсолютне значення внутрішніх залишкових термонапружень розтягу, нормальних до міжфазної границі кераміка - метал, які послаблюють кераміку в області з’єднання і, як результат, призводять до зниження міцності з’єднання вцілому. Залежність міцності (б) паяних з’єднань від товщини (сі) припойного шару, як видно з рис.З, є практично лінійною (враховуючи статистичний характер розсіяння значень крихкої міцності), що можна записати у вигляді:

бпз = бкз бик — к сі, (7)

де бпз - значення міцності паяного з’єднання (Па), би - значення міцності кераміки у складі паяного з’єднання (Па), б,ж - значення міцності монолітної кераміки (Па), к - деякий коефіцієнт (Па/м), (1 - товщина припойного шару (м). Коефіцієнт к, в загальному випадку, залежить від характеристик міцності самої кераміки (у монолітному стані) і від пластичності припойного сплаву.

Апроксимуюча пряма на рис.З відповідає наступним значенням констант: бик = 360 МПа і к = 2х1012 Па/м (2 МПа/мкм).

Рис. 3. Залежність міцності б (МПа) кераміки типу Б№60 (група 7) поблизу області з’єднання (кола) від товщини припойного шару (і (мкм). Значення міцності монолітної кераміки представлено на осі ординат при сі = 0 мкм (ромби).

Форма і розмір площини з’єднання також мають суттєвий вплив на величину внутрішніх залишкових термонапружень і, як результат, на міцність паяних з’єднань вцілому. При зміні форми і збільшенні площини з’єднання до 20x20 мм2 (тип $N590) було проаналізовано відмінність значень міцності центральних, бічних і кутових (відносно площини з’єднання) груп зразків (табл.1).

Наведені результати свідчать про суттєву відмінність значень міцності центральних, бічних і, особливо, кутових зразків паяних з’єднань, які представлені відповідно підгрупами 10.1, 10.2, 10.3 (табл.1). Найміцнішими виявилися бічні зразки зпаяних блоків, а найслабшими - кутові зразки, у яких, як і слід чекати, найвищі залишкові термонапруження в області з’єднання. Руйнування паяних з’єднань типу $N590 було змішаним - приблизно 50/50 % когезійним по кераміці поблизу шва пайки з когезійним по припойному шару, але критична тріщина руйнування зароджувалась переважно в кераміці поблизу області з’єднання. Розсіяння значень міцності у кутових зразків значно більше ніж у центральних і бічних (табл.1).

Вплив шорсткості площини пайки на міцність паяних з’єднань Біз^/Бі^ визначався шляхом порівняння значень міцності паяних з’єднань типу БЮбО, в одному випадку, з полірованою площиною пайки (група 5) з шорсткістю поверхні Ка = 0,04 мкм, а в іншому випадку, із шліфованою площиною пайки (група 8) з шорсткістю поверхні Яа ~ 0,6 мкм.

Результати випробування міцності паяних з’єднань групи 8 (табл.1) виявили, що середнє значення міцності з’єднань з неполірованою поверхнею площини пайки зменшилось більше ніж на 20 % в порівнянні з групою 5 -головним чином за рахунок пониження максимальних значень міцності. Проте розсіяння значень міцності в групі 8 майже вдвічі нижче за розсіяння в групі 5 і практично рівне розсіянню значень міцності монолітної кераміки - модуль Вейбула ш = 12 (табл.1). Руйнування паяних з’єднань групи 8 відбувалося практично повністю по міжфазній границі між керамікою і припоєм, що свідчить про слабку адгезію припою до кераміки.

Глибокі подряпини в кераміці є причиною появи дефектів типу “непро-паїв”, а також являються концентраторами значних залишкових внутрішніх напружень, що знижує показники міцності паяних з’єднань. Відносно високе значення модуля Вейбула в групі 8 (табл.1) свідчить про високу стабільність наявності подібних дефектів в області міжфазної границі кераміка - припой у з’єднань з неполірованою площиною пайки. Отже, проведені дослідження вказують на необхідність поліровки площини пайки, що накладає певні обмеження на технологію одержання високоміцних паяних з’єднань.

Дослідження варіацій кількісного вмісту титану в складі вихідного припой-ного сплаву та режимів пайки у вище зазначених межах не виявили суттєвого впливу цих факторів на показники міцності паяних з’єднань, що є позитивною характеристикою у відношенні'технологічного процесу одержання високоміцних паяних з’єднань Зіз^/Си-Са-Ті/Зіз^.

Вплив товщини припайного шару на характер руйнування і показники

міцності паяних з’єднань. Механічні властивості припойного шару.

Структура і розподіл фаз в області з’єднання Зіз^/Си-Са-Ті/Біз^.

Важливим фактором, що впливає на міцність паяного з’єднання вцілому, є міцність самого припойного шару, який часто являється найслабшою ланкою в складі з’єднання. При цьому, визначний вплив на характеристики міцності припойного шару мають, як властивості самого припойного сплаву, так і особливості структури перехідних шарів на міжфазній границі.

Встановлено, що середня міцність стандартного припойного сплаву на згин при кімнатних температурах складає приблизно 400 МПа; характер руйнування - крихкий.

Когезійний характер руйнування по припойному шару у деяких з’єднань типу 5їч820 дозволяє оцінити міцність самого припойного шару в складі з’єднання при певній його товщині. Крива на рис.4 апроксимує середню міцність припойного шару, яка відповідає міцності припойного сплаву - близько 400 МПа при товщинах шва пайки понад 100 мкм і різко зростає при товщинах менших за 20-І-25 мкм, про що можна судити по зміні характера руйнування паяних з’єднань з когезійного по припойному шару на когезійний по кераміці при зовнішніх напруженнях розтягу - 5504-950 МПа - значно вищих за міцність вихідного припойного сплаву.

Рис. 4. Залежність міцності б (МПа) паяних з’єднань (кола) типу £N820 від товщини припойного шару сі (мкм). Крива апроксимуе середні значення міцності припойного шару у відповідності з виразом Хола-Петча (9). Значення міцності монолітної кераміки представлено на осі ординат при сі = 0 мкм (ромби).

Аналіз структури та розподілу основних хімічних елементів і фаз в області з’єднання дозволив пояснити природу цього ефекту різкого зміцнення припойного шару при товщинах шва пайки менших за 20 мкм.

При товщинах припойного шару понад ЗО мкм його евтектична структура в центральній області подібна до структури стандартного припойного сплаву. При зменшенні товщини до 20 мкм і менше мікроструктура припойного шару змінюється за рахунок появи і перекриття в його центральній частині областей, що утворені фазами продуктів хімічної взаємодії на міжфазшгх границях (рис.5).

Безпосередньо на міжфазнін границі припойного сплаву Си-ва-Ті з керамікою утворюється переважно шар нітридів титану (ПЫ і Тії\^,|). Шар

нітридотитанових фаз є суцільним і сягає товщини 3-^5 мкм. Розподіл галію (рис.5(в)), атоми якого переважно концентруються в областях найбільшої концентрації титану (рис.5(г)), що узгоджується з більшою енергетикою зв’язку атомів Оа з Ті, ніж з Си, показує, що в шарі нітридотитанових фаз ближче до центру області з’єднання присутні інтерметаліди титану з галієм.

Шар ТІК (ТіМх<і) має високу адгезію до кераміки Бі;,^. Крім того, TiN має проміжний коефіцієнт термічного розширення - а(ТіМ) = 9x10'6 К'1 між керамікою - а^і.г^) а 3x10'6 К'1 і припойним сплавом - а(Си-Оа-Ті) и 18x10'6 К'1, що зменшує максимальні значення просторових градієнтів внутрішніх залишкових термонапружень в області з’єднання. А при наявності металоподібних фаз ТіМх<] цей ефект проявляється ще більше.

г) д)

Рис. 5. Мікроструктура (а) і розподіл елементів в характеристичному рентгенівському випроміненні: Си (б), ва (в), Ті (г), Бі (д) в області з’єднання ЗізІ^Си-Оа-ТІ/ /5ізИ4 з товщиною шва пайки -10 мкм (а) (х 2600), що одержані за допомогою ЕРМА САМЕБАХ БХ 50.

Атоми кремнію, які вивільнились в процесі взаємодії титану з азотом нітриду кремнію, утворюють фази силіцидів титану (Ті5і2, ТіБі, Ті5Бі?, переважно з високим вмістом кремнію), що розміщуються в центральній області шва пайки у виїляді зерен діаметром до 3-к5 мкм (рис.5(д)). Перевалена частина атомів міді також концентрується в центральних областях припойного шару (рис.5(6)). Зерна крихких фаз силіцидів титану в центральній частині припойного шару комбінуються з пластичними фазами на основі мідно-галієвого сплаву. Шар мідно-галієвого сплаву завдяки своїй пластичності відіграє важливу роль в релаксації залишкових термонапружень в області з’єднання, що особливо важливо при наявності крихких фаз силіцидів титану, з якими в багатьох дослідженнях пов’язують причини низької міцності паяних з’єднань нітридокремнієвої кераміки. Зерна силіцидів титану знаходяться в оточенні пластичної фази на основі Си-Оа, що запобігає крихконгу руйнуванню з’єднань по шару силіцидо-титанових фаз. В свою чергу, зерна силіцидів титану разом з шарами нітридо-титанових фаз на обох міжфазних границях створюють структуру з досить тонкими (в декілька мікрон) шарами на основі Си-Са фази (рис.5), армуючи таким чином порівняно слабкий шар в центральній області з’єднання.

Механізм різкого підвищення міцності пластичного шару па основі Си-Оа сплаву при зменшенні його товщини полягає в зменшенні ефективної довжини нагромадження дислокацій в площині ковзання, а відповідно - кількості дислокацій і можливої концентрації напружень для їх переміщення, при зменшенні характеристичного розміру пластичної фази (діаметр зерна або товщина шару); і описується відомим співвідношенням Хола-Петча:

б = бо + С-сГІ/2, (8)

де б - макроскопічна межа пружності (або межа текучості, що відповідає фік-

сованому ступеню пластичної деформації), б0 і С - деякі константи, сі - характеристичний розмір пластичної фази.

Виходячи із співвідношення Хола-Петча (8) міцність паяного з’єднання в залежності від міцності припойного шару (при руйнуванні по припойному шару), а відповідно - від товщини пластичного мідно-галієвого прошарку можна записати як:

бю = бпт — бПс С'((І — <3М|Н) , (9)

де бш - значення міцності паяного з’єднання (Па), бпш - значення міцності

припойного шару в складі з’єднання (Па), бпс - деяке початкове значення міцності пластичного прошарку (Па) (наприклад, при <1 > 100 мкм), яке наближено прирівнюємо до значення міцності вихідного припойного сплаву, с - деякий коефіцієнт відповідності (Па-м1/2), який, в загальному випадку, залежить від властивостей припойного сплаву і від умов випробування (температура, схема навантаження), (1 - товщина припойного шару (м), <ІМ1„ - деяка мінімальна товщина припойного шару (м), при якій товщину пластичного прошарку в центральній області з’єднання практично можна вважати рівною нулю.

Апроксимуюча крива на рис.4 відповідає наступним значенням констант: бГІС = 400 МПа, с = ЗхЮ5 Па-м1'2, dMiH = 20 мкм.

Виходячи з аналізу природи ефекта зміцнення припойного шару в тонких швах пайки, можна зробити той висновок, що при товщинах припойного шару менших за 20 мкм, міцність паяних з’єднань, одержаних за даної методики, буде обмежуватись (принаймні до 1 ГПа) міцністю кераміки в складі з’єднання.

Високотемпературна міцність паяних з’єднань SijN’j/Cu-Ga-Ti/SijNj.

Особливості руйнування і механічні властивості припойного шару при високих температурах.

Дослідження високотемпературної міцності паяних з’єднань SijNj/SijN.j було проведено на з’єднаннях двох типів кераміки SN820 і SN280, які були одержані, відповідно, в складі груп 3 і 12 (табл. 1).

Середнє значення міцності паяних з’єднань типу SN820 практично не змінюється до 400 °С і становить приблизно 740 МПа (рис.6). Після 400 °С міцність з’єднань починає різко спадати і становить приблизно 430 МПа при 500 °С. Розсіяння значень міцності при збільшенні температури випробування від 400 °С до 500 °С і вище також значно зменшується. При переході від 400 °С до 500 °С і вище різко змінюється характер руйнування паяних з’єднань, що власне і знайшло своє відображення в зміні величини розсіяння значень міцності (рис.6): При кімнатній температурі і при 400 °С з’єднання типу SN820 руйнуються практично повністю когезійно по кераміці поблизу області з’єднання. При 500 °С характер руйнування різко змінився і став переважно когезійним по припойному шару -приблизно на 80 % поверхні руйнування. При 600 °С і 700 °С характер руйнування з’єднань став повністю когезійним по припойному шару - фрагменти припойного шару залишалися по обидві сторони поверхні руйнування.

Міцність паяних з’єднань типу SN280 при 600 °С, як і при кімнатних температурах, аналогічно обмежується міцністю кераміки поблизу області з’єднання (характер руйнування - когезійний по кераміці). При 700 °С середнє значення міцності цих з’єднань практично не змінюється і складає приблизно 240 МПа (рис.6), але характер руйнування став змішаним - приблизно 50/50 % когезійним по кераміці з когезійним по припойному шару. При температурах випробування 750 °С і 800 °С міцність паяних з’єднань повністю обмежується міцністю припойного шару - руйнування практично повністю відбувається когезійно по припойному шару - і складає, відповідно, 175 МПа і 140 МПа для середнього значення. Мінімальне значення міцності паяних з’єднань при 800 °С становить 120 МПа. А роз’єднання керамічної пари при навантаженнях розтягу 1+10 МПа відбувається вже при температурах (розпаю) 850+900 °С.

Крива С (рис.6), яка апроксимує мінімальні значення міцності припойного шару (товщиною до 20 мкм), визначає температуру переходу від когезійного руйнування по кераміці до когезійного руйнування по припойному шару в залежності від міцності вихідної кераміки.

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Рис. 6. Залежність міцності б (МПа) паяних з’єднань типу $N820 (кола) і 5И280 (ромби) від температури Т (°С) випробування міцності на згин. Наведено середні, максимальні і мінімальні значення, відповідно. Крива С апроксимує мінімальні значення міцності припойного шару товщиною 10+20 мкм.

Середні значення міцності монолітної кераміки (<б> МК) в інтервалі температур від 20 °С до 800 °С практично не змінюються (рис.б), що є характерним для нітридокремнієвої кераміки.

Причина різкого падіння міцності припойного шару при температурах вище 400 °С (рис.6) пов’язана з втратою ефекта зміцнення тонкого пластичного прошарку на основі Си-Оа фази в центральній області припойного шару із-за різкого зниження її межі текучості в температурному інтервалі від 400 °С до 500 °С. Результати досліджень високотемпературної мікротвердості виявили порівняно повільне зменшення мікротвердості Си-Оа сплаву в інтервалі температур від 20 °С до 300 °С і різке її падіння в інтервалі від 300 °С до 500 °С. При температурах 400 °С і 500 °С суттєво зменшується і розсіяння значень мікротвердості Си-Оа сплаву, іцо також вказує на збільшення Його пластичності.

Отже, паяні з’єднання нітридокремнієвої кераміки, виходячи з їх високотемпературних властивостей, можна використовувати при температурах до 800 °С з навантаженням на згин до 100 МПа.

ВИСНОВКИ

1. Досліджено механізми впливу фізичних і фізико-хімічних факторів на процеси формування високоміцних паяних з’єднань нітридокремнієвої кераміки Біз^/Біз^ за допомогою розроблених методики пайки та складу Си-йа-Ті адгезіішо-активного припойного сплаву.

2. Проведено дослідження процесів змочування і контактної взаємодії в системі кераміка - Си-Са-Ті розплав та встановлено механізм впливу галію на формування і структуру перехідних шарів на міжфазній границі, який полягає в зменшенні Інтенсивності розчинення 5ІзТ^4 в припої під впливом вибраного складу розчинника титану.

3. Досліджено характеристики міцності паяних з’єднань в широкому інтервалі температур від 20 °С до 800 °С із застосуванням статистичного аналізу за методикою Вейбула та виявлено і проаналізовано зміни характера руйнування з’єднань з когезійного по кераміці на когезійний по припойному шару в залежності від співвідношення міцностей кераміки і припойного шару, де міцність протонного шару визначається його товщиною та температурою випробування.

4. Встановлено механізм впливу товщини припойного шару на його міцність в складі з’єднання, який відповідає співвідношенню Хола-Петча і полягає в зменшенні ефективної довжини нагромадження дислокацій в площині ковзання в пластичному прошарку на основі Си-ва фази за рахунок появи і перекриття в центральній області з’єднання твердих фаз нітридів і силіцидів титану, що утворилися в результаті хімічної взаємодії кераміки Біз^ з Си-ва-Ті припойним розплавом.

5. Виявлено вплив відпалу і товщини металевого прошарку на характер руйнування та величину і дисперсію значень міцності паяних з’єднань та запропоновано напрямки підвищення показників міцності з’єднань, які полягають у зменшенні величини внутрішніх залишкових термонапружень в кераміці поблизу області з’єднання за рахунок зменшення товщини металевого прошарку та (або) внаслідок застосування відпалу.

6. Оптимізовано методику формування паяних з’єднань БізІ^/Си-Оа-Ті/БізІЧ!, завдяки якій отримано з’єднання з рекордною на сьогодні міцністю: з середнім значенням на згин 740 МПа (максимальна - 950 МПа, мінімальна -640 МПа) в температурному інтервалі випробувань 20+400 °С, що становить 90 % від середньої міцності монолітної кераміки, і з дисперсією значень міцності на рівні монолітної кераміки (модуль Вейбула т = 12); та не менше 300 МПа і 100 МПа при 600 °С і 800 °С відповідно, що суттєво розширює перспективи їх практичного застосування.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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

2. Prokopenko А.А., Zhuravlev V.S., Naidich Y.V. Brazing of SbN4 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 B.C., Найдич Ю.В. Природа эффекта упрочнения припойного слоя в тонких швах паяных соединений нитридокремниевой керамики // Электронная микроскопия и прочность материалов. - 1999. -Вып. 10.-С. 167-172.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ, ЩО ДОДАТКОВО ВІДОБРАЖАЮТЬ НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ

4. Zhuravlev V.S., Prokopenko А.А., Kostyuk B.D., Gab 1.1., Naidich Y.V. Joining of SiiN4 with Ті-active Cu-Ga and Cu-Sn filler alloys // Proceedings of 2-nd International Conference on High Temperature Capillarity (HTC’97), June 29 - July 3, 1997, Cracow (Poland), edited by N. Eustatopoulos. - 1997. - P. 299-305.

5. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Kostyuk B.D., Gab 1.1., Naidich Y.V. Joining of Si1N4 with Ті-active Cu-Ga and Cu-Sn filler alloys //Abstracts of 2-nd International Conference on High Temperature Capillarity (HTC’97), June 29 - July 3, 1997, Cracow (Poland). - 1997. - P. 45.

6. Zhuravlev V.S., Grigoriev O.N., Prokopenko A.A., Mayboroda E.G., Bega N.D., Naidich Y.V. Formation of brazed joints of S13N4 ceramic-metal with use of ceramic interlayers with various thermoexpantion /I Abstracts of International Conference on Advanced Materials (AM’99), October 4 - 7, 1999, Kiev (Ukraine). -1999. - P. 76.

7. Zhuravlev V.S., Prokopenko A.A., Krasovskaya N.A. Titanium solvent second component influence on silicon nitride ceramic wetting by melts based on Cu-Ti // Abstracts of International Conference on Advanced Materials (AM’99), 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. Фізичні та фізико-хімічні проблеми формування та міцності паяних з’єднань нітридокремніевої кераміки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, 2000.

Досліджено закономірності і механізми процесів формування та механічні властивості з’єднань нітридокремніевої кераміки Біз^/БізІЧ^ зпаяних за допомогою Си-йа-Ті адгезійно-актквного припайного сплаву. Встановлено механізм впливу галію на змочування і формування структури перехідних шарів в системі БЬН) - Си-ва-Ті, який полягає у зменшенні інтенсивності руйнування контактуючого шару кераміки. Встановлено механізм 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 Си-йа фази за рахунок появи і перекриття в центральній області з’єднання твердих фаз нітридів і силіцидів титану. Показано, що застосування відпалу до паяних з’єднань приводить до зменшення дисперсії їх значень міцності практично вдвічі. Отримано високоміцні паяні з’єднання Зізі^/Зізі4^ з середньою міцністю на згин при кімнатних температурах 740 МПа, що становить 90 % від міцності монолітної кераміки. Високотемпературна міцність з’єднань практично не змінюється до 400 °С, а при 600 °С і 800 °С становить не менше 300 МПа і 100 МПа відповідно.

Ключові слова: нітрид кремнію, механізми формування паяних з’єднань, змочування кераміки розплавом, міцність на згин, статистичний аналіз за Вей-булом, залишкові термонапруження, зміцнення припойного шару, нагромадження дислокацій в площині ковзання.

Прокопенко А.А. Физические и физико-химические проблемы формирования и прочности паянных соединений нитридокремниевой керамики. -

Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию механизмов влияния ряда физических и физико-химических факторов на процессы формирования и механические свойства соединений нитридокремниевой керамики 51зЫ4/51зЫ4, паянных при помощи Си-Оа-Т} 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 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; исследования микроструктуры и распределения химических элементов в области соединения ЗЬ^/Си-Оа-таБЬТ4^ осуществляли с помощью сканирующего электронно-зондового микроанализатора.

В результате проведённых исследований процессов смачивания и контактного взаимодействия в системе керамика - Си-Оа-"П расплав установлен механизм влияния галлия на формирование и структуру переходных слоев на межфазной границе, который состоит в уменьшении интенсивности разрушения контактирующего слоя нитридокремниевой керамики за счёт снижения растворения в припое под влиянием выбранного состава растворителя титана.

Разработаны состав Си-Оа-Т1 адгезионно-активного припойного сплава и методика формирования паянных соединений 51зЫ4/51з^.

Исследованы 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 соединений 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.

Установлен механизм влияния толщины припойного слоя на его прочность в составе соединения, который соответствует соотношению Холла-Петча и заключается в уменьшении эффективной длины нагромождения дислокаций в плоскости скольжения в пластичной прослойке на основе Си-ва фазы за счёт появления и перекрытия в центральной области соединения твёрдых фаз нитридов и силицидов титана, которые образовались в результате химического взаимодействия керамики с Си-Оа-Т) припойным расплавом.

Исследовано влияние толщины металлической прослойки на прочность керамики в составе соединения; показано, что - чем меньше толщина, тем выше прочность. Обнаружено и проанализировано влияние отжига на характер разрушения, величину и дисперсию значений 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) вследствии применения отжига.

Оптимизирована методика формирования соединений 51зЫ4/Си-Оа-ТЧ/51зЫ4, посредством которой получены паянные соединения с рекордной на сегодня прочностью - со средним значением на изгиб 740 МПа (максимальная -950 МПа, минимальная - 640 МПа) в температурном интервале испытаний 20+400 °С, что составляет 90 % от средней прочности монолитной керамики, и с дисперсией значений прочности на уровне монолитной керамики - модуль Вейбулла га = 12. Высокотемпературная прочность паянных соединений составляет не меньше 300 МПа и 100 МПа при температурах 600 °С и 800 °С соответственно, что существенно расширяет перспективы их практического применения.

Ключевые слова: нитрид кремния, механизмы формирования паянных соединений, смачивание керамики расплавом, прочность на изгиб, статистический анализ по Вейбуллу, остаточные термонапряжения, упрочнение припойного слоя, нагромождение дислокаций в плоскости скольжения.

Prokopenko А.А. Physical and physics-chemical problems of forming and strength of the silicon nitride brazed joints. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.07 - physics of solid body. -The Institute for Problems in Materials Science of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

Objective laws and mechanisms of fonning processes and mechanical properties of the silicon nitride joints Si3N4/SijN4 brazed by Cu-Ga-Ti adhesive-active filler alloy has been investigated. It has been determined the mechanism of gallium influence on wetting and fonning of transition layers’ structure in SijN4 - Cu-Ga-Ti system, that consists in decreasing of intensity of the ceramic’s contact layer demolishing. It has been determined the mechanism 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 Cu-Ga phase, caused by appearance and contact at the joint’s central area of titanium silicides and nitrides hard phases. .Annealing of the brazed joints leads to decreasing of its strength values’ dispersion practically by twice has been shown. High-strength brazed joints Si:,M4/Si3N4 with average room temperature bending strength of 740 MPa, that is 90 % of the monolithic ceramic strength, has been obtained. High-temperature strength of the joints practically do not changes to 400 °C, and at 600 °C and 800 °C is not less than 300 MPa and 100 MPa, respectively.

Key words: silicon nitride, the brazed joints’ forming mechanisms, wetting of ceramic by melt, bending strength, Weibull’s statistical analysis, retaining thermostresses, filler layer’s strengthening, piling-up of dislocations in the slip plane.