TiAl与C/C复合材料自蔓延反应辅助钎焊工艺及机理研究

论文摘要

金属与非金属材料的连接是连接领域研究的热点问题,本文针对C/C复合材料（记作CC）与TiAl合金两种高温轻质结构材料的连接需求,系统研究了二者的自蔓延反应辅助钎焊。采取试验和理论分析相结合的方法,进行了连接中间层的优化。利用扫描电镜及能谱分析、X射线衍射分析、强度测试和差热分析等方法,研究了不同参数下接头的界面微观组织和力学性能。并对采用这种特殊连接方法时的界面结构和组织演化进行了系统的分析,揭示了连接工艺参数对接头性能及界面结构的影响规律。基于体系的热力学分析结果,计算了优选的Ti-Al和Ti-Al-C中间层体系的绝热温度,并确定了保证自蔓延反应的最低预热温度,同时对Ti-Al-C体系自蔓延反应的表观激活能进行了计算。利用DSC等手段对中间层反应机理进行了初步分析,采用不同成分中间层粉末以及优选的钎料在适宜参数下实现了Ti-Al系合金的制备及其与C/C复合材料的自蔓延一次连接,分析了接头的典型界面组织,确定了界面反应相组成。基于TiAl与CC的一次连接结果,优选出AgCuTi钎料以及BNi2钎料进行了TiAl与CC的二次连接。采用AgCuTi钎料和Ti-Al中间层时,接头界面典型结构为CC/TiC/Ag（s.s）+Cu（s.s）/AlCu2Ti+ Ti（Cu,Al）2/TiAl3+Ti3Al+TiAl+Ti/TiAl3+TiAl2/TiAl;采用BNi2钎料和Ti-Al-C中间层时,接头界面典型结构为CC/ Cr7C3/残余BNi2/NiAl +Ni2Al3/TiAl3+TiAl+Ti3Al+Ti+TiC/TiAl3+TiAl2/TiAl。加热温度对TiAl/CC接头的组织与力学性能影响较大,随着加热温度的升高,中间层放热量增大,钎料与CC侧界面反应层变明显,接头强度逐渐升高。在750℃/20min/20MPa条件下,采用AgCuTi钎料和Ti-Al-C中间层获得接头最高强度为11MPa,接近常规钎焊强度,接头断裂于TiC层;在800℃/20min/20MPa条件下采用BNi2钎料和Ti-Al-C中间层获得接头最高强度为10.6MPa,接头断裂于Ni-Al层。保温时间对接头组织及力学性能影响不明显。对TiAl与CC的自蔓延反应辅助钎焊连接机理进行了分析,发现自蔓延反应发生在Al熔化后,中间层放出的热量迅速传递到钎料侧并促使钎料熔化以及CC、钎料和中间层之间的反应。在TiAl母材侧生成了TiAl3层,生成的TiAl3与TiAl母材继续反应生成TiAl2层。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 TiAl 金属间化合物连接研究现状
• 1.3 CC 的连接研究现状
• 1.4 自蔓延高温连接技术研究进展
• 1.5 本课题的研究内容
• 第2章 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备及过程
• 2.2.1 试验设备与工艺参数
• 2.2.2 试验过程
• 2.3 微观组织分析及力学性能测试
• 2.3.1 微观分析
• 2.3.2 力学性能测试
• 2.3.3 热分析
• 第3章 Ti-Al 粉末体系与CC 的自蔓延反应一次连接
• 3.1 引言
• 3.2 粉末中间层热力学及动力学计算
• 3.2.1 粉末中间层热力学计算
• 3.2.2 粉末中间层动力学计算
• 3.3 中间层反应机理分析
• 3.4 Ti-Al 系粉末与CC 的自蔓延一次连接
• 3.5 本章小结
• 第4章 采用AgCuTi 钎料对TiAl 与CC 进行二次连接
• 4.1 引言
• 4.2 中间层压坯压力的确定
• 4.3 采用AgCuTi 钎料进行二次连接
• 4.3.1 典型界面组织
• 4.3.2 工艺参数对界面结构的影响
• 4.3.3 工艺参数对接头力学性能的影响
• 4.4 采用AgCuTi 钎料二次连接的接头界面形成机理
• 4.5 本章小结
• 第5章 采用BNi2 钎料对TiAl 与CC 进行二次连接
• 5.1 引言
• 5.2 采用BNi2 钎料进行二次连接
• 5.2.1 典型界面组织
• 5.2.2 工艺参数对界面结构的影响
• 5.2.3 工艺参数对接头力学性能的影响
• 5.3 采用BNi2 钎料二次连接的接头界面形成机理
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢