C/SiC复合材料与TiAl合金的原位反应辅助钎焊机理研究

摘要

C/SiC复合材料和TiAl合金的密度低，具有良好的高温力学性能和抗氧化性能，将两者连接制成应用于航空航天领域的耐高温构件，可减轻结构重量，获得满意的高温性能。但是，C/SiC复合材料和TiAl合金的可靠连接不仅要解决两者热膨胀系数差异导致的接头残余应力，而且还要考虑TiAl合金的扩散溶解对接头界面组织和性能的影响。针对以上两点，本文在使用AgCu钎料分析两种母材钎焊性的基础上，提出了原位反应辅助钎焊TiAl合金和C/SiC复合材料。通过Ti-Ni-B高温钎料的设计，实现了接头热膨胀系数的梯度过渡，研究了界面反应机理，初步揭示了TiAl合金在液态钎料中的溶解现象和规律。
　　C/SiC复合材料/AgCu/TiAl合金钎焊接头界面组织和性能分析表明，TiAl合金的扩散溶解量是接头界面组织的主要控制因素。TiAl合金溶解量增加，钎缝中Al-Cu-Ti化合物增多，Ag基固溶体所占比例减小；复合材料侧TiC反应层变厚。TiC反应层过厚导致接头残余应力增加，弱化接头性能。这些结论对原位反应中间层的设计和优化具有指导意义。
　　确定了由Ti-Ni-B组成的中间层体系，采用细观力学夹杂理论和试验相结合的方法优化中间层的成分为(Ti-66Ni)1-xBx(x=2.3~4.0wt.％)。采用粉末机械合金化和电弧熔炼两种方法制备了B含量为3.2wt.%的钎料作为研究对象，两种形式的钎料钎焊接头的界面结构相似，从TiAl到C/SiC侧依次为β/β+τ3/β+τ3+TiB/τ3/TiC。但是，钎缝中TiB的形成机理不同。钎焊过程中，电弧熔炼合金钎料中B源是以块状TiB2的形式参与反应形成长条状TiB相，试验表明，TiB2向TiB的转化是伴随着TiAl合金的溶解逐步发生的。
　　钎焊温度为1180°C，保温10min时，优化的粉末钎料钎焊接头的室温抗剪强度和600°C高温抗剪强度最大，平均值分别为99MPa和63MPa。室温剪切后，接头的断裂主要发生在TiC反应层以及复合材料基体，复合材料的破坏形式是C纤维被剪断后沿SiC基体形成台阶状断裂面。600°C高温剪切后，接头的断裂主要发生在复合材料侧τ3反应层。
　　建立了TiAl向液态钎料中溶解厚度的数学模型，设计了平行等间隙试验装置，实现了钎缝间隙的可调节性。采用两种方法测量TiAl合金的溶解厚度，提高了TiAl合金溶解厚度测量的精确性。试验验证结果表明，溶解厚度数学模型可用于研究高温钎焊条件下母材的溶解特性及评价钎料对母材的溶蚀。

目录

C/SiC复合材料与TiAl合金的原位反应辅助钎焊机理研究

STUDY ON MECHANISM OF IN SITU REACTION ASSISTED BRAZING OF C/SiC COMPOSITES TO TiAl ALLOY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 C/SiC复合材料与TiAl合金焊接性分析

1.3 C/SiC复合材料连接技术研究现状

1.4 TiAl合金钎焊技术研究现状

1.5 钎焊过程中母材与钎料之间的相互作用

1.6 本文主要工作内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验过程

2.3 微观分析及性能测试

2.4 技术路线

第3章 原位反应辅助钎焊的提出及高温钎料的设计

3.1 引言

3.2 AgCu钎焊C/SiC与TiAl的接头组织和性能分析

3.3 原位反应辅助钎焊C/SiC与TiAl的提出

3.4 原位反应中间层的设计与优化

3.5 本章小结

第4章 TNB高温钎料原位反应辅助钎焊C/SiC与TiAl的连接机理

4.1 引言

4.2 TNB钎料的制备

4.3 TNB原位反应辅助钎焊接头的组织及性能分析

4.4 TNB原位反应辅助钎焊机理研究

4.5 本章小结

第5章 原位反应辅助钎焊过程中TiAl溶解厚度模型

5.1 引言

5.2 TiAl合金溶解厚度的数学模型

5.3 TiAl合金溶解厚度数学模型的验证

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

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢