Анотація до роботи:

Прокопенко О.А. Формування високоміцних паяних з’єднань нітридо-кремнієвої 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.

1. Отримано високоміцні паяні з’єднання Si₃N₄/Cu-Ga-Ti/Si₃N₄. Розроблено та удосконалено методику з’єднання керамічних матеріалів на основі Si₃N₄ адгезійно-активними припоями системи Cu-Ga-Ti, особливість якої полягає у формуванні високоміцної композиційної структури із продуктів взаємодії кераміки з металевим припойним сплавом, що забезпечує високі показники міцності і надійності паяних з’єднань.

2. Проведено комплексні дослідження процесів змочування і контактної взаємодії в системі кераміка Si₃N₄ – Cu-Ga-Ti розплав, на основі яких визначено оптимальні склади припойних сплавів та встановлено ефект впливу галію на формування і структуру перехідних шарів на міжфазній границі, який полягає у зменшенні інтенсивності розчинення нітриду кремнію в припої під впливом вибраного складу розчинника титану.

3. Встановлено ефект впливу товщини припойного шару на його міцність в складі з’єднання, який полягає у 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, що утворилися в результаті хімічної взаємодії кераміки Si₃N₄ з Cu-Ga-Ti припойним розплавом.

4. 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.

5. 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 характеру руйнування з’єднань з когезійного по кераміці на когезійний по припойному шару в залежності від співвідношення міцностей кераміки і припойного шару, де міцність припойного шару визначається його товщиною та температурою випробування. Вивчено термомеханічні властивості вихідних припойних сплавів.

6. Наведено практичні рекомендації щодо оптимізації процесу формування паяних з’єднань Si₃N₄/Cu-Ga-Ti/Si₃N₄, на основі яких отримано з’єднання з рекордною на сьогодні міцністю – з середнім значенням на згин при кімнатних температурах 740 МПа, що становить 90 % від середньої міцності монолітної кераміки, та з дисперсією значень міцності на рівні монолітної кераміки – модуль Вейбула m = 12. Високотемпературна міцність паяних з’єднань практично не змінюється до 400 С, а при 600 С і 800 С становить не менше 300 МПа і 100 МПа відповідно, що розширює межі їх практичного застосування на область помірних експлуатаційних температур.

Публікації автора:

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.