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采用Ti-Zr-Cu-Ni钎料钎焊Ti_5Si_3/TiAl及其与Inconel 718接头组织演变与性能研究

曲天宇  
【摘要】:近几十年来,科学技术的发展对新材料的需求越来越大,TiAl合金由于其比强度好、密度低等优点在航空航天领域展现出了前所未有的应用潜力,然而其塑性差、难于变形加工等问题也限制了其发展。传统Ni基合金的强度、塑性和抗氧化性能优异,但其密度过大且各项性能已达到极限。TiAl合金与Ni基合金优势互补,将二者连接组成特殊构件便可发挥二者优点。因此,便产生了对TiAl合金与Ni基合金连接的需求。本文采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料成功地对层状Ti_5Si_3/TiAl自身及层状Ti_5Si_3/TiAl与Inconel 718进行了钎焊连接,研究了钎焊参数的改变对焊缝组织以接头性能的影响,最终解释了焊缝组织形成过程。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔带钎料钎焊层状Ti_5Si_3/TiAl可获得结合良好、无缺陷且强度较高的接头,典型接头组织为(Ti,Zr)2(Cu,Ni)上分布着条带状的α-Ti与(Ti,Zr)2(Cu,Ni)组成的共析相。钎料与母材间形成了Ti2Al/Ti3Al与(Ti,Zr)2(Cu,Ni)相互交错的反应层。钎料厚度60-240μm,钎焊温度880℃-940℃,保温时间2.5min-10min范围内,接头的室温剪切强度均呈现先增加后减小的趋势。钎料层厚度180μm,钎焊温度910℃,保温时间5min时,所得接头室温剪切强度达到最大值252MPa。Al元素的扩散对接头组织形态有着重要影响,Al元素通过多原子协同作用扩散至焊缝中,在钎料与母材间形成Ti2Al/Ti3Al与(Ti,Zr)2(Cu,Ni)相互交错的反应层,在焊缝中心区域存在Al元素的位置发生了β-Ti→α-Ti+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的转变,形成了条带状的共析组织。650℃时,由于金属间化合物的温度反常现象使得接头强度上升至434MPa。同样以钎焊的方法采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料对Ti_5Si_3/TiAl和Inconel 718进行连接,典型接头组织以(Ti,Zr)2(Cu,Ni)和溶有α-Ti的(Ti,Zr)2(Cu,Ni)为基体,基体中分布着α-Ti+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)共析相。Ti_5Si_3/TiAl与钎料层交界处的反应层为Ti2Al/Ti3Al与(Ti,Zr)2(Cu,Ni)组成的须状组织;而Inconel 718与钎料层接触处形成了枝状的NiCrFe晶体、附着其上的Ti-Ni、Ti-Cr、Ti-Fe金属间化合物以及Cr、Fe、Ti、Zr、Cu、Ni多种元素并存的附着层。钎料层厚度60μm-240μm,钎焊温度880℃-940℃,保温时间2.5min-10min范围内,接头的室温剪切强度呈先增加后降低的趋势。钎料层厚180μm,910℃/5min时,接头室温剪切强度达到最大值225MPa。在钎焊温度较高和保温时间较长的条件下,Ni元素扩散更为充分,其对组织的影响表现在焊缝中的α-Ti+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)共析组织的含量逐渐减少,与之相对的固溶Ti(s)的(Ti,Zr)2(Cu,Ni)相的含量相对增多,Inconel 718与钎料层间的反应层厚度略有增大。650℃时,接头剪切强度上升至382MPa。


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