Cf/Al复合材料与TiAl自蔓延连接工艺及机理研究

摘要

本文采用自蔓延连接的方法实现了碳纤维增强铝基复合材料(记作 Cf/Al)与TiAl合金的连接,系统研究了二者在自蔓延连接中界面形成机制。采用理论分析和基础试验相结合的方法,进行了自蔓延中间层的优化设计。利用差热分析、扫描电镜以及能谱分析、强度测试和X射线衍射分析的方法,阐述了自蔓延中间层的放热原理,不同连接工艺参数下接头的微观界面结构和力学性能,揭示了连接工艺参数对接头力学性能及界面结构的影响规律。最后,阐述了接头界面结构的形成机制。
　　针对Cf/Al这种复合材料的特性,进行了Cf/Al焊接性分析;基于体系的热力学理论及中间层的选择原则,初步选取中间层。利用DTA分析以及结合实际试验等手段对所选中间层进行优化,并分别计算了所选的Ti-Al-C-Cu和Al-Ni-CuO粉末中间层体系的绝热温度。为了保证自蔓延反应的持续进行,确定了各粉末中间层的最低预热温度,同时对两种粉末体系自蔓延反应的表观激活能进行了计算。
　　采用Ti-Al-C-Cu粉末中间层,利用热爆和激光引燃两种模式,实现了Cf/Al与TiAl合金的自蔓延连接,连接效果良好。由于Cu的扩散,在靠近中间层的Cf/Al复合材料中以及其余中间层的结合处有Al2Cu的生成;在TiAl一侧,有沿着接头界面连续分布的金属间化合物TiAl3层生成。中间层中,产生大量的TiAl3、少量的Ti(Al Cu)2相和少量的铝铜化合物。连接温度对接头界面结构及抗剪强度影响较大,接头的抗剪强度随着加热温度的增加先增加而后迅速降低。保温时间对接头的界面结构影响较小,接头的抗剪强度随着保温时间的增加先增加,而后趋于平稳。接头的抗剪强度可达25.89MPa。阐述了Ti-Al-C-Cu中间层自蔓延连接Cf/Al和TiAl的连接机理,中间层在加热过程中产生液相是实现可靠连接的前提条件。
　　采用Al-Ni-CuO粉末中间层,利用真空炉加热,实现了Cf/Al和TiAl的自蔓延连接。靠近中间层的Cf/Al复合材料中以及其余中间层的结合处有NiAl3的生成;在TiAl一侧,有沿着接头界面连续分布的金属间化合物TiAl3层生成。中间层中,产生大量的NiAl3、少量的Al2O3相和少量的铝铜化合物。连接温度对接头界面结构及抗剪强度影响较大,接头的抗剪强度随着加热温度的增加先增加,当加热温度超过650℃时,接头的抗剪强度迅速降低。当保温时间超过10min时,保温时间对接头的界面结构以及力学性能影响不大。接头的抗剪强度可达39.99MPa。阐述了Al-Ni-CuO自蔓延连接Cf/Al和TiAl的连接机理,得出Al与CuO的反应温度较低,是实现较低加热温度下实现可靠连接的关键。

目录

Cf/Al复合材料与TiAl自蔓延连接工艺及 机理研究

PROCESS AND MECHANISM RESEARCH ON SELF-PROPAGATING JOINING BETWEEN Cf/Al COMPOSITES AND TiAl ALLOY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 纤维增强铝基夊合材料连接的研究现状

1.3 TiAl金属间化合物连接研究现状

1.4 自蔓延连接技术介绍以及研究进展

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 微观结构分析

2.3.2 力学性能测试

2.3.3 热分析

第3章 Cf/Al与TiAl自蔓延反应中间层的优化设计

3.1 引言

3.2 Cf/Al夊合材料焊接性分析

3.3中间层的选择

3.4 粉末中间层的热力学及动力学的计算

3.4.1 粉末中间层的热力学计算

3.4.2 粉末中间层的动力学计算

3.5 本章小结

第4章 Ti-Al-C-Cu中间层自蔓延连接Cf/Al与TiAl

4.1 引言

4.2热爆模式典型接头界面

4.3 工艺参数对接头界面结构的影响

4.3.1加热温度对界面结构的影响

4.3.2保温时间对界面结构的影响

4.3.3 Cu的含量对界面结构的影响

4.4 工艺参数对接头力学性能的影响

4.5 采用Ti-Al-C-Cu自蔓延连接接头界面的形成机制

4.6 激光诱导自蔓延连接Cf/Al与TiAl初步尝试

4.7本章小结

第5章 采用Al-Ni-CuO自蔓延连接Cf/Al与TiAl

5.1 引言

5.2典型接头界面结构

5.3 工艺参数对界面结构的影响

5.3.1加热温度对界面结构的影响

5.3.2保温时间对界面结构的影响

5.4 工艺参数对接头力学性能的影响

5.5 Al-Ni-CuO自蔓延连接接头界面的形成机理

5.6 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

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢