Het diffusielassen van Si3N4 met een Ni-tussenlaag

Abstract

Er zijn tegenwoordig keramische materialen verkrijgbaar, zoals Si3N4, die op hoge temperatuur voor structurele toepassingen gebruikt kunnen worden. Deze materialen bezitten in het algemeen een grote sterkte, hoge elasticiteitsmodulus, kleine uitzettingscoëfficient en een grote weerstand tegen erosie en corrosie bij hoge temperaturen, maar zijn echter ook bros. Dit betekent dat het nog niet mogelijk is constructies volledig uit keramiek op te bouwen. Een oplossing voor dit probleem is om naast de (brosse) keramische onderdelen ook (relatief taaie) metalen onderdelen toe te passen. Dit betekent echter wel dat deze materialen onderling verbonden moeten kunnen worden. Eén van de methoden waarmee metalen aan keramische materialen kunnen worden verbonden, is diffusielassen, waarbij de te verbinden materialen in de vaste fase blijven. In dit onderzoek is gekeken naar de mogelijkheden en beperkingen van het diffusielassen van Si3N4 met een Ni-tussenlaag. Het is daarbij gebleken dat binnen een ruim gebied van diffusielastemperaturen (850 °C - 1100 °C), diffusielastijden (22,5 minuten - 24 uur) en dikten van de Ni-tussenlaag (5 ^m - 750 ^m) permanente verbindingen tussen Si3N4 en N i kunnen worden gemaakt, waarbij afschuifsterktes tot 125 MPa zijn waargenomen. De kwaliteit van de verbinding bleek echter sterk gevoelig te zijn voor wijzigingen in de diffusielasopstelling. Aan beide Si3N4-Ni-grensvlakken vindt tijdens het diffusielasproces op hoge temperatuur onder invloed van N i een ontledingsreactie van Si3N4 plaats, waarbij silicium en stikstof vrijkomen. Aan het grensvlak worden geen reactieprodukten gevonden, maar een vaste oplossing van Si in Ni . Aangezien stikstof slechts zeer beperkt oplosbaar is in N i , verdwijnt het grootste gedeelte ervan in moleculaire vorm, waardoor aan het Si3N4-Ni-grensvlak een poreuze zone ontstaat. Deze poreuze zone is de zwakste plaats van de verbinding, aangezien bij de mechanische beproeving steeds door deze zone breuk optreedt. Met behulp van een opgesteld thermodynamisch model kan worden verklaard waarom de ontledingsreactie aan het Si3N4-Ni-grensvlak plaatsvindt en waarom daarbij geen reactieprodukten ontstaan, maar een vaste oplossing van Si in Ni . Hierbij speelt de stikstofdruk aan het grensvlak een grote rol. Daarnaast geeft het model inzicht in het ontstaan en de ontwikkeling van de poreuze zone in de loop van het diffusielasproces op hoge temperatuur.