TiAl合金与置氢TC4钛合金扩散连接工艺研究

论文摘要

合金置氢加工工艺是将氢作为一种临时合金元素,通过改变钛合金的相组成和微观结构,进而达到改善钛合金加工性能的目的。自从该技术被提出以来,国内外学者主要对置氢与除氢基础理论,氢改善塑性加工性能及热氢处理细化晶粒等方面进行了大量的研究,然而对氢改善扩散连接性方面的研究较少。本文对置氢TC4钛合金和TiAl合金进行了扩散连接试验,研究了置氢合金母材相组成和微观组织变化规律,确定了扩散连接工艺参数及TC4钛合金母材置氢量对界面结构的影响规律,并在此基础上探讨了氢促进扩散连接的机理,进而首次提出了采用置氢TC4钛合金中间层扩散连接TiAl合金的方法。研究了置氢TC4钛合金的相组成以及微观组织演化规律。原始合金由一定轧制方向的（α+β）组成,随着氢含量的增加βH相和氢化物δ相依次出现,微观组织中轧制方向逐渐消失,当氢含量增加到0.5wt.%以上时α′′马氏体大量形成。直接扩散连接了置氢TC4钛合金和TiAl合金,分析了其界面结构以及工艺参数对界面结构的影响。在800℃及其以下温度连接时只有扩散孔隙存在,没有反应层生成。随着连接温度的升高,连接接头界面处的扩散孔隙数量逐渐减少且尺寸逐渐变小。当连接温度达到850℃以上时,界面有反应层产生,随着连接温度、连接时间和连接压力的升高,扩散层的厚度增大。当连接工艺参数相同时,界面焊合率及扩散层厚度均随TC4母材含氢量的提高而增大。阐明了扩散连接后置氢TC4钛合金组织转变、元素的扩散及接头的相组成。在扩散连接过程中,置氢TC4钛合金中含氢不稳定相逐渐发生分解,同时在氢的作用下合金中的元素发生了充分的相互扩散,此外合金元素在β相和α相中也发生了再分配。通过试验发现扩散连接接头主要由TiAl、Ti3Al和TiAl2组成,置氢量为0.5wt.%的TC4母材焊后接头出现了Ti3Al5相。采用了置氢TC4钛合金中间层扩散连接TiAl合金。相对于TiAl合金直接扩散连接,在达到相同的力学性能时,高含氢量的中间层能极大的降低扩散连接的工艺参数。其中,连接温度降低350℃,连接时间减少30min,连接压力减少15Mpa。证明了采用置氢TC4钛合金中间层扩散连接TiAl合金能够极大提高TiAl合金扩散连接生产效率。分析了在扩散连接过程中氢的作用行为,探讨了氢促进扩散连接的机理。氢的加入导致了在扩散孔隙闭合过程中扩散系数的增大,也导致了变形和蠕变的改善,因而其扩散连接性得到了改善。此外,氢的逸出引起合金中空位浓度的升高,从而导致互扩散系数的升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 TiAl金属间化合物的连接技术
• 1.2.1 TiAl金属间化合物的钎焊
• 1.2.2 TiAl金属间化合物的扩散焊
• 1.3 钛合金置氢加工工艺
• 1.3.1 钛合金置氢加工工艺的发展
• 1.3.2 置氢钛合金系统相图研究
• 1.3.3 改善扩散加工性能研究
• 1.4 本课题的研究内容和试验方案
• 第2章 试验材料、设备和方法
• 2.1 试验材料及试件规格
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验过程
• 2.4 X射线衍射及综合热分析
• 2.5 母材及接头区显微组织观察
• 2.5.1 显微组织观察
• 2.5.2 电子探针分析
• 2.5.3 透射电镜观察
• 2.6 接头性能测试
• 第3章 TiAl合金与置氢TC4 微观组织分析
• 3.1 引言
• 3.2 TiAl合金微观组织及相组成
• 3.3 置氢TC4 钛合金相组成
• 3.3.1 置氢TC4 钛合金微观组织分析
• 3.3.2 置氢TC4 钛合金相组成判定
• 3.4 本章小结
• 第4章 TiAl合金与置氢TC4 扩散连接工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 扩散连接TiAl合金与置氢TC4 钛合金工艺
• 4.3 连接温度及置氢量对界面形貌的影响及分析
• 4.3.1 连接温度及置氢量对界面形貌的影响
• 4.3.2 置氢量对界面焊合率的影响
• 4.3.3 焊后母材形貌及相组成
• 4.3.4 界面元素扩散
• 4.4 连接时间及置氢量对接头界面的影响及分析
• 4.4.1 连接时间及置氢量对接头界面形貌的影响
• 4.4.2 置氢量对界面焊合率及反应层的影响
• 4.4.3 焊后母材形貌及相组成
• 4.4.4 界面元素扩散
• 4.4.5 接头力学性能及断口分析
• 4.5 连接压力对接头界面形貌的影响及分析
• 4.5.1 连接压力对接头界面形貌的影响
• 4.5.2 置氢量对界面焊合率及反应层的影响
• 4.5.3 界面元素扩散
• 4.5.4 接头力学性能及断口分析
• 4.6 小结
• 第5章 置氢TC4 中间层扩散连接TiAl合金及氢促进扩散连接机理探讨
• 5.1 引言
• 5.2 直接扩散连接TiAl合金
• 5.3 置氢TC4 中间层扩散连接TiAl合金
• 5.3.1 普通TC4 钛合金中间层扩散连接TiAl合金
• 5.3.2 置氢0.5wt.% TC4 钛合金中间层扩散连接TiAl合金
• 5.4 氢促进扩散连接机理探讨
• 5.4.1 置氢TC4 钛合金放氢特性
• 5.4.2 氢促进物理接触机理分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢