TiAl合金与Ti3AlC2陶瓷扩散连接工艺及机理研究

摘要

TiAl合金具有较高的比强度、比刚度和优异的高温性能,在航天领域耐高温部件上有望得到应用。Ti3AlC2陶瓷综合了金属和陶瓷的优异性能,在航天领域也具有广阔的应用前景,但是有关Ti3AlC2陶瓷连接方面报道的较少。通过对这两者的连接,可以实现航天领域新型号发动机中某关键构件的制造。本文研究了TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷的直接扩散连接和添加Zr/Ni、Ti/Ni复合中间层的扩散连接,重点分析了工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律,优化了TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷扩散连接工艺参数,探讨了接头的断裂路径和断口形式,阐明了界面反应层生成机理。
　　首先研究了TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷的直接扩散连接,接头的典型界面结构为:TiAl/TiAl2/TiAl2+TiAl3/Ti3AlC2+TiCx/Ti3AlC2陶瓷。当连接温度为1000℃,保温时间为60min时,接头抗剪强度最高(可达53.1MPa)。接头在压剪过程中,裂纹首先在界面处萌生,并迅速向靠近界面的Ti3AlC2陶瓷内部扩展,最终断裂在界面处,断口呈现出弧形的断裂路径。连接温度较低时,界面不能实现有效的连接;但是过高的连接温度会导致接头残余应力较大,在接头处出现裂纹。
　　为了缓解直接扩散连接时接头内较大的残余应力,采用Zr/Ni复合中间层进行了TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷的液相扩散连接,接头典型界面结构为:TiAl/Al3NiTi2+TiAl/Al3NiTi2/AlNi2Zr/AlNi2Zr+Ni10Zr7/Ni7Zr2/Ni5Zr/Ni/Ni3(Ti,Al)/Ni3Al+TiCx+Ti3AlC2/Ti3AlC2陶瓷。温度较低时,原子扩散不充分,Zr/Ni界面处结合不良。温度过高时,Ni箔过渡消耗,缓解残余应力的能力下降,进而导致接头连接质量下降。当连接温度为825℃,保温时间为60min时,接头的抗剪强度达到最大值(达到75.2MPa)。断裂主要位于Ni/Ti3AlC2界面上和陶瓷基体内部。
　　考虑到液相扩散连接时界面处的溶解与反应过于剧烈,采用Ti/Ni复合中间层实现了TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷的固态扩散连接,接头典型界面结构为:TiAl合金/Al3NiTi2+Ti3Al/Ti3Al/Tiss+Ti2Ni/Ti2Ni/NiTi/Ni3Ti/Ni/Ni3(Ti,Al)/Ni3Al+TiCx+Ti3AlC2/Ti3AlC2陶瓷。复合中间层中的Ni沿着层片状Ti3AlC2陶瓷晶界扩散,促使陶瓷发生分解生成了TiCx。随着温度的升高,材料屈服强度降低,变形量增加,Ti/Ni界面处的柯肯达尔孔洞逐渐闭合,实现良好了连接。温度过高时,Al3NiTi2和Ti2Ni聚集长大,残余应力增加,界面处出现贯穿的纵向裂纹。当连接温度为850℃,保温时间为60min,连接压力为30MPa时,接头的抗剪强度最大,可达85.2MPa。此时,断裂发生在Ni/Ti3AlC2界面处和陶瓷基体内部。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 TiAl合金国内外连接研究现状

1.3 Ti3AlC2的国内外研究现状

1.4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 试样制备及连接工艺

2.3 试验设备

2.4 接头组织分析和性能测定

第3章 直接扩散连接TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷

3.1 引言

3.2 TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷的焊接性分析

3.3 TiAl/Ti3AlC2直接扩散连接典型界面组织

3.4 工艺参数对TiAl/Ti3AlC2接头界面组织的影响

3.5 工艺参数对TiAl/Ti3AlC2接头性能的影响及断口分析

3.6 TiAl/Ti3AlC2接头断口分析

3.7 Ti3AlC2/Ti3AlC2直接扩散连接

3.8 小结

第4章 Zr/Ni复合中间层液相扩散连接TiAl合金和

4.1 引言

4.2 Ni箔中间层扩散连接TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷

4.3 Zr/Ni复合中间层液相扩散连接TiAl合金和Ti3AlC2陶瓷

4.4 小结

第5章 Ti/Ni复合中间层固相扩散连接TiAl合金和

5.1 引言

5.2 TiAl/Ti/Ni/Ti3AlC2扩散连接典型界面组织

5.3 工艺参数对TiAl/Ti/Ni/Ti3AlC2接头界面组织的影响

5.4 工艺参数对TiAl/Ti/Ni/Ti3AlC2接头性能的影响

5.5 TiAl/Ti/Ni/Ti3AlC2接头断口分析

5.6 TiAl/Ti/Ni/Ti3AlC2界面反应机制

5.7 Ti-Ni金属间化合物层形成规律

5.8 Ti-Ni金属间化合物的动力学计算

5.9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

声明

致谢