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置氢TC4钛合金与GH3128高温合金扩散连接工艺及机理研究

2020-12-14阅读(538)

置氢TC4钛合金与GH3128高温合金扩散连接工艺及机理研究

论文摘要

置氢钛合金在热加工,变质加工领域应用越来越广泛,国内外学者在这些方面进行了大量的研究。近年来有学者发现置氢钛合金在连接领域有着独特的优势,但目前该方向的研究较少。本文针对置氢钛合金连接领域的研究需要,对置氢钛合金与高温合金扩散连接工艺及机理进行了研究。本文采用直接扩散连接和添加Ni箔、Nb箔和Ni+Nb箔间接扩散连接,实现了置氢TC4钛合金与GH3128镍基高温合金的连接,研究了扩散连接工艺参数和置氢量对接头界面组织的影响规律;分析了扩散连接工艺参数对接头力学性能影响,确定了接头的断裂方式。并对氢促元素扩散的机理进行了探讨。采用直接扩散连接时,接头的典型界面结构为:置氢TC4钛合金/α+β相/Ti2Ni /TiNi/Ni（s,s） +TiNi/Ni（s,s）/GH3128镍基高温合金。置氢量对接头界面组织没有影响,但对扩散反应层厚度有明显影响,随着氢含量的升高,反应层厚度增加。接头的抗剪强度随着工艺参数的提高均先增大后稳定,在T=900℃/t=10min/P=5MPa时,达到最大值55MPa。接头断裂发生在Ti2Ni扩散反应层。采用纯Ni箔连接时,接头抗剪强度提高到91.5MPa,但Ti2Ni层依然是接头的薄弱区域。采用Nb箔时改善了钛合金侧的脆性,接头的典型界面结构为:置氢TC4钛合金/（Ti,Nb）/Nb/（Nb,Ni）/Ni3Nb/Ni（s,s）/GH3128镍基高温合金。随着连接规范提高,接头中扩散反应层厚度逐渐增加,柯肯达尔孔洞减少,在保温时间较长时生成了Ni6Nb7相。当T=860℃/t=100min/P=10MPa时,接头的抗剪强度最高,达到245MPa。接头主要断裂于固溶体层。采用Ni+Nb复合中间层时消除了接头两侧的薄弱区域,接头中只有一层金属间化合物层。随着连接规范的提高,反应层厚度逐渐增加。当T=860℃/t=80min/P=10MPa时,接头的抗剪强度最高,达到271MPa。采用热分析及透射电镜研究了置氢TC4钛合金的等温放氢特性和放氢后组织,当设定加热速度为25℃/min时,置氢TC4钛合金中的氢化物分解发生在加热后25min35min之间,在750℃时脱氢速率达到最大值。等温放氢后,置氢TC4的基体组织不存在氢化物。氢促进元素扩散原因是Ni和Nb的扩散系数和激活能与空位形成能和空位迁移能有关;低温时当氢在钛合金中以间隙固溶体存在时,引起弱键效应,使溶质原子扩散的空位形成能降低,扩散系数提高;在较高温度时当氢以原子形式向钛合金外扩散时,引起了点阵畸变,使溶质原子扩散的空位迁移能下降,导致扩散系数提高。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景及意义
  • 1.2 钛合金氢处理技术研究现状及分析
  • 1.2.1 氢在钛及钛合金中的基本效应及相图研究
  • 1.2.2 氢处理对钛合金力学性能的影响及机理
  • 1.2.3 氢处理对钛合金扩散加工性的影响及机理
  • 1.3 钛合金连接技术研究现状及分析
  • 1.3.1 非置氢钛合金连接技术研究现状及分析
  • 1.3.2 置氢钛合金连接技术研究现状及分析
  • 1.4 高温合金连接技术研究现状及分析
  • 1.4.1 高温合金钎焊研究现状及分析
  • 1.4.2 高温合金扩散焊研究现状及分析
  • 1.5 本文主要研究内容
  • 第2章 试验材料与方法
  • 2.1 试验材料
  • 2.2 扩散连接设备和工艺
  • 2.2.1 扩散连接设备
  • 2.2.2 连接工艺过程
  • 2.3 微观分析及性能测试
  • 2.3.1 微观分析
  • 2.3.2 综合热分析
  • 2.3.3 接头抗剪强度分析
  • 2.3.4 透射电镜分析
  • 第3章 直接扩散连接置氢TC4 与GH3128
  • 3.1 接头典型界面结构分析
  • 3.2 置氢TC4 中氢含量对接头组织结构的影响
  • 3.3 工艺参数对接头组织结构的影响
  • 3.3.1 扩散连接温度对接头界面组织结构的影响
  • 3.3.2 扩散连接时间对接头界面组织结构的影响
  • 3.3.3 连接压力对接头界面组织结构的影响
  • 3.4 相缺失的热力学分析
  • 3.5 工艺参数对扩散连接接头抗剪强度的影响及断口分析
  • 3.5.1 连接温度对接头抗剪强度的影响
  • 3.5.2 保温时间对接头抗剪强度的影响
  • 3.5.3 连接压力对接头抗剪强度的影响
  • 3.6 扩散连接接头断裂行为研究
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 中间层间接扩散连接置氢TC4 与GH3128
  • 4.1 引言
  • 4.2 Ni 箔中间层间接扩散连接置氢TC4 与GH3128
  • 4.3 Nb 箔中间层间接扩散连接置氢TC4 与GH3128
  • 4.3.1 接头典型界面组织分析
  • 4.3.2 氢含量对接头组织结构的影响
  • 4.3.3 连接温度对接头组织结构及力学性能的影响
  • 4.3.4 保温时间对接头组织结构及力学性能的影响
  • 4.4 Nb/Ni 复合中间层间接扩散连接置氢TC4 与GH3128
  • 4.4.1 接头典型界面组织分析
  • 4.4.2 连接温度对接头组织结构及力学性能的影响
  • 4.4.3 保温时间对接头组织结构及力学性能的影响
  • 4.5 间接扩散连接接头断口分析
  • 4.5.1 Nb 箔中间层间接扩散连接接头断口分析
  • 4.5.2 Nb/Ni 复合中间层间接扩散连接接头断口分析
  • 4.6 本章小结
  • 第5章 置氢TC4 钛合金扩散连接机理研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 置氢TC4 钛合金等温放氢特性
  • 5.2.1 置氢TC4 钛合金热分析
  • 5.2.2 置氢TC4 钛合金等温放氢后组织分析
  • 5.3 钛合金中原子扩散动力学计算
  • 5.3.1 钛合金侧反应层生长动力学
  • 5.3.2 Nb 在钛合金中的扩散激活能
  • 5.4 置氢TC4 扩散连接机理探讨
  • 5.4.1 原子在置氢TC4 中的扩散机制
  • 5.4.2 氢促元素扩散机理探讨
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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