ایجاد چسب کامپوزیت نقره/نیکل برای اتصال دهی سرد YSZ به فولاد ضد زنگ
چکیده
اتصال دهی YSZ به فولاد ضد زنگ برای کاربرد های متفاوتی همانند سلول های سوختی اکسیدی، پوشش محافظ گرما و ایمپلنت پزشکی در نظر گرفته می شود. در این مقاله تعدادی چسب لحیم کاری که از نانوچسب های نقره و نیکل استفاده می کنند(~80 nm)، به همراه سلولز کربوکسی متیل به عنوان فاز آلی ایجاد شد واز آن برای اتصال YSZ 5 درصد مولی با فولاد AISI420 استفاده شد. اثر پارامتر های فرایند همانند زمان و دمای لحیم کاری و ترکیب شیمیایی نانو چسب ها بر ریزساختار اتصال و استحکام برشی پارگی مورد تحقیق قرار گرفت. جزئیات مکانیزم اتصال توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و پروب میکرو آنالیزور الکترونی نشان دهنده زینتر حالت جامد نانوچسب ها است. نفوذ کم عناصر به فولاد ضد زنگ 420 باعث ایجاد فصل مشترکی اسفنجی شد. افزایش بارگذاری چسب باعث افزایش چگالی ساختار اسفنجی در فصل مشترک شد که استحکام مکانیکی بیشتری به دست آمد. اتصال دهی هنگامی که از نانو چسب نقره استفاده شد، موفقیت آمیز تر بود زیرا نانوچسب های نقره فعالیت زینتر بیشتری در دمای کم لحیم کاری نسبت به نانوچسب های نیکل دارند. در ضمن در بارگذاری زیاد، تراکم موضعی نانوچسب ها و عدم تجانس ریزساختار در فصل مشترک مشاهده شد. افزایش زمان و دمای لحیم کاری نفوذ عناصر را بهبود بخشیده و استحام اتصال را افزایش داد. بهینه سازی پارامتر های فرایند توسط روش L16 taguchi نشان داد که چسب نقره با 72% بارگذاری جامد ساخته شده در C° 270 برای 120 دقیقه یک اتصال خوب با استحکام برشی Mpa 1 ± 23 ایجاد می کند.
1. مقدمه
سرامیک پیشرفته با خواص قابل توجه مانند مقاومت به خوردگی و سایش بالا، چگالی کم و پایداری مکانیکی مناسب در دمای بالا در قطعات الکترونیکی، پیوند لگن و استخوان و کاربردهای ساختمانی مانند موتور حرارتی، توربین ها و اجزاء اتومبیل استفاده می شود. برای وفق دادن خواص با کابرد مورد نظر، اتصال سرامیک به فلز ایجاد شده است. مثال های از این کاربرد ها شامل سلول های سوختی اکسیدی، تخته مدار، وسایل هسته ای، جایگزینی لگن و پره توربین می شود. این مواد مهم ترکیبی از خواص فلز و سرامیک را در یک قطعه یک پارچه دارند. در نتیجه در سال های اخیر اتصال دهی سرامیک به فلز توجه زیادی را جذب کرده است. به دلیل تفاوت در پیوند های اتمی، دمای ذوب و خواص ترمومکانیکی فلز و سرامیک، ایجاد اتصالات خوب و عاری از عیب چالش برانگیز می باشد. تاکنون روش های مختلفی از جمله لحیم کاری سخت و نرم، زینتر کردن، زینتر پلاسما جرقه ای و رسوب دهی ایجاد و استفاده شدند. هر کدام از این روش ها مزایا و معایبی دارد که آن را برای کاربردی خاص مناسب می کند.
4. نتیجه گیری
اتصال بدون فشار زیرکونیوم پایدار شده 5Y به AISI 420 SS در دمای کم(< C°370) مورد تحقیق قرار گرفت. نتایج اصلی در زیر لیست شده است:
• مخلوطی از نانوچسب های نیکل و نقره را می توان برای تهیه نانوچسب مناسب برای اتصال YSZ به SS استفاده کرد.
• زینتر بدون فشار YSZ-SS در دمای کم باعث تشکیل فصل مشترک متخلخل شد. چگالی فصل مشترک به مقدار بارگذاری جامد، ترکیب چسب و شرایط زینتر بستگی دارد.
• نفوذ محدود عناصر چسب در اجزاء اتصال مشاهده شد. عمق نفوذ نیکل بیشتر از نقره بود.
• آنالیز DOE نشان داد که بارگذاری جامد نانوچسب و سپس غلظت نیکل مهم ترین عوامل موثر بر استحکام اتصال هستند.
• بیشترین استحکام برشی برای چسب 40/32 نقره/ نیکل با 72% بارگذاری جامد به دست می آید.
Abstract
Joining of yttria-stabilized zirconia (YSZ) to stainless steels is considered for various applications such as solid oxide fuel cells, thermal barrier coatings, and medical implants. In the present work, a series of brazing pastes utilizing silver and nickel nanoparticles (~80 nm) mixed with carboxymethyl cellulose as the organic phase were developed to join 5 mol% YSZ to AISI 420 steel. Effects of processing parameters including time and temperature of brazing and the composition of the nanopastes on the microstructure of joints and their shear rupture strength were studied. Elaboration of the joining mechanism by scanning electron microscopy and electron probe micro-analyzer showed solid-state sintering of the nanoparticles. Limited diffusion of the elements in the 420 SS part caused interface formation with a spongy structure. Increasing of the paste solid loading increased the density of the spongy structure at the interface region; thereby higher mechanical strength was attained. The joining was more successful when a silver nanopaste was utilized owing to the higher sintering activity of silver nanoparticles compared to nickel at relatively low brazing temperatures. Meanwhile, at high solid loadings, localized nanoparticle aggregation and microstructural heterogeneity at the interface region were observed. Increasing of the brazing time and temperature enhanced the diffusion of elements and improved the joint strength. Optimization of the processing parameters by the L16 Taguchi method determined that a silver paste with 72% solid loading processed at 270 °C for 120 min would yield a sound joint with shear strength of 23±1 MPa.
1. Introduction
Advanced ceramics with outstanding properties such as high corrosion and wear resistance, low density and suitable mechanical stability at elevated temperatures have wide applications in electronic devices, hip and bone transplants, and structural applications such as heat engines, turbines and automotive components [1]. To adapt the properties to a desired application, ceramic-metal joints have been developed. Examples of such applications include solid oxide fuel cells [2], circuit boards [3], nuclear instruments [4], hip replacement [5], and turbine blade [6]. These functional materials provide an excellent combination of properties of both metals and ceramics in an integrated part. Therefore, in recent years joining of ceramics to metals have attracted significant attention [7]. Due to differences in the nature of atomic bonding, melting temperature and thermomechanical properties of ceramics and metals, preparation of sound and defect-free joints with a high mechanical stability is challenging. So far, various methods such as brazing [8], soldering [9], co-sintering [10], spark-plasma sintering [11] and sputtering [12] have been developed and utilized. Each of these processes has some advantages and disadvantages that make them suitable for specific applications.
4. Conclusions
Pressure-less joining of 5Y-stabilized zirconia to 420 AISI SS at low temperatures (o370 1C) was studied. The main findings can be summarized as follows:
A mixture of silver and nickel nanoparticles can be used to prepare nanopastes for sound joining of YSZ to SS.
Pressure-less sintering of YSZ–SS couples at low temperatures yielded a porous interface layer. The density of the interface region depended on the amount of solid loading, the composition of the paste, and sintering condition.
Limited diffusion of the paste elements in the joint counterparts was noticed. The diffusion depth of Ni was more than that of Ag diffusion.
DOE analysis showed that solid loading of the nanopaste has the most important factor affecting the strength of the joints followed by the concentration of nickel.
The highest shear strength was attained for a 32/40 Ag/Ni paste with 72% solid loading
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
چکیده
1. مقدمه
2. روش آزمایش
3. نتایج و بحث
3.1 -ریز ساختار فصل مشترک اتصال
3.2 - استحکام برشی
3.3 -آنالیز Taguchi و بهینه سازی
4. نتیجه گیری
Abstract
1. Introduction
2. Experiments procedure
3. Results and discussion
3.1. Microstructure of the joint interface
3.2. Shear strength
3.3. Taguchi analysis and optimization
4. Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه