Electric field assisted solid‐state interfacial joining of TaC‐HfC ceramics without filler

Abstract

The application of ultra‐high‐temperature ceramics (UHTCs) demands effective ways of joining in overcoming the problems associated with the fabrication of complex‐shaped components. In this study, we choose to investigate a new method of rapidly joining pre‐sintered TaC and HfC ceramics without any filler material using the spark plasma sintering (SPS) technique. A well‐bonded TaC–HfC interface was observed with no apparent cracking and porosity at the joint. The joining mechanisms were predominantly driven by solid‐state diffusion and localized plastic deformation. The nanomechanical properties of the TaC‐HfC joint are better than the HfC while comparable to that of the TaC. High‐load indentation (up to 200 N) results suggest that the TaC–HfC interface is stronger than the parent UHTCs with no crack propagating at the interface. Upon comparison with the parent UHTCs, the damaged area and the average crack length at the interface, reduced up to ~94% and ~56%, respectively. This study shows that the SPS technique can also apply to joining other UHTCs without any filler, resulting in the new field of developing complex components for the thermal protection system (TPS).

Electric-field Assisted Joining Technology for the Ceramics Materials: Current Status and Development Trend

“…5 TEM micrographs of the Al2O3/Ti joint bonded at 900 ℃ for 1 h under 700 V DC field [34] Morphologies of the reaction layer(a); magnified zone B(b); magnified zone C (c); electron diffraction (SAED) patterns(d) of the phases [35][36][37] 。近年来，SPS 技术被广泛应用于陶 瓷和陶瓷基复合材料的连接领域，如图 6 所示，将 待连接陶瓷材料放入 SPS 设备中，并在一定压力下 通入直流脉冲电流，电流引发焦耳热效应使得被连 接母材的温度快速升高，与此同时，界面处由于接 触电阻和 Peltier 效应会出现局部过热，可促进连接 界面处物质迁移。此外，电场也会影响物质传输过 程，但因 SPS 施加电压过小(约为 10 V)，难以表征 其具体作用机制，其作用机理仍有待进一步探究 [38] 。 目前，采用 SPS 技术连接的陶瓷材料接头分为无中 间层的直接连接和有中间层的间接连接两种。 图 6 SPS 连接装置图 [38] Fig. 6 Working schematic of a SPS apparatus [38] 2.2 无中间层 SPS 连接技术 [20,22,[39][40][41][42][43][44][45] ，部分研究成果汇总于表 3 中。 SPS 连接工艺参数随基体材料而变化，连接温度介 于 1090~1900℃之间，连接压力介于 3.5~60 MPa， 而连接时间则集中在 5~15 min 之间。连接温度和保 温时间等工艺参数对连接强度有着重要影响。研究 发现， 通过调节脉冲电流大小， 将连接温度由 996 ℃ 提高到 1090 ℃， SiCw/Ti3SiC2 接头的剪切强度从 7.9…”

“…MPa 显著提高到 51.8 MPa [42] ；而在 1650 ℃连接温 度下，改变保温时间，α-SiAlON/α-SiAlON 接头的 弯曲强度会由 560 MPa(保温 5 min) ，增大到 610 MPa(保温 20 min) [45] 。此外，施加的压力、母材 表面的处理情况也会影响最终连接强度，通过比较 未抛光 CVD-SiC 和抛光 CVD-SiC 连接样品的 SEM 照片，Grasso 等 [22] 发现压力和表面处理都是实现 SiC 陶瓷无孔隙直接连接的必要条件，其中压力发 挥了主要作用。SPS 技术施加的脉冲电流除引发焦 耳热而影响连接温度外，还会通过界面接触电阻和 Peltier 效应导致连接界面局部过热，从而加速界面 处的物质扩散。通过对比 1700 ℃/10 min 条件下高 电阻率 SiC 陶瓷(HR-SiC)和低电阻率 SiC 陶瓷(LR-SiC)的连接情况可以发现， 通过 LR-SiC 的电流要远 大于 HR-SiC，其结合程度也要远高于 HR-SiC/HR-SiC [39] 。 部分 MAX 相陶瓷自身之间采用 SPS 直接连接 时，由焦耳热引发的快速升温会促进连接界面处物 质快速扩散，从而形成界面结合良好、无明显焊缝 的接头，例如 TSC(Ti3SiC2)和 TAC(Ti3AlC2)两 种 MAX 相的 SPS 连接 [41] 。而将异质陶瓷作为母材 进行 SPS 连接时，界面处的物质扩散通常伴随反应 物(或固溶体)的生成，使用 SPS 技术连接 TaC 和 HfC 两种超高温陶瓷时，其界面处由于高温高压条 件会发生局部塑性变形，且扩散的 Hf 在 Ta 侧反应 形成(Ta, Hf)C 固溶体连接层 [44] ，如图 7 所示。 表3 无中间层陶瓷材料的 SPS 连接 图 7 TaC/HfC 接头的显微结构图 [44] Fig. 7 Fractured micrograph of the TaC-HfC joint [44] (a [40] 。 MAX 相 是一种三元层状材料，TSC 和 TAC 等典型的 MAX 相都被应用于 SiC 陶瓷的连接。当使用 TSC 陶瓷作 为连接层时，高温下它常通过毛细管作用渗入 SiC 陶瓷母材的表面孔隙和微裂纹中(如图 8 所示)，这 一钉扎效应有利于提高连接强度 [46] 。但当连接温度 高于 1300 ℃时，SiC 基体中的 Si 会向界面迁移，导 致 SiC/TSC 界面处生成 TixSiy 脆性相，而 SiC 分解 后富集的石墨相会与 TSC 进一步反应生成 TiC 相 [23] 。最新研究表明，TSC 和 TAC 等 MAX 相作为中 间层连接 SiC 陶瓷时，可在高温下分解扩散并进入 SiC 基体，从而形成无焊缝的结构 [20] 。 金属作为中间层时(如表 5)， 在界面处与陶瓷发 生 相互扩散，并生成化合 物 。图 9 显示 了采用 Ti/Nb/Ti 作为中间层 SPS 连接 CVD-SiC 时接头微观 结构随温度的演变过程， 可以发现当温度达到 1400 ℃ 时，金属中间层与 SiC 母材之间发生了相互扩散和 界面反应，在连接界面处形成了 TiC 反应层(图 9(c)) [49] 。此外，作为高温结构材料的 SiC 陶瓷及其 复合材料接头的高温性能一直是备受关注的重要指 标。 Tatarko 等 [46] 系统研究了 CVD-SiC/Ti3SiC2/CVD-SiC 接头在真空中的高温性能：当温度高于 1000 ℃ 时，接头的抗弯强度随温度升高呈线性下降， 升温 至 1200 ℃时， 连接强度保留了初始弯曲强度的 68%； 升温至 1300 ℃时，仅保留了初始强度的 38%。综上 所述可知， SPS 主要用于连接 SiC 陶瓷及其复合材 料等自身扩散系数较低的材料体系，在连接过程中 脉冲电流引发的焦耳加热效应，会促进界面处物质 迁移， 从而在一个相对低的温度下实现材料的连接， 但其接头耐高温性不是很理想，需要进一步提升。 图8 CVD-SiC/TSC/CVD-SiC 接头背散射 SEM 图像 [46] Fig. 8 Backscattered SEM images of the polished cross section of the CVD β-SiC joined with the pre-sintered Ti3SiC2 foil using SPS [46] 表4 使用无机材料中间层 SPS 连接陶瓷材料 图 9 CVD-SiC/Ti/Nb/Ti/CVD-SiC 接头处微观结构图 [49] Fig.…”