C/C复合材料与TiAl合金的钎焊及自蔓延反应连接研究

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本文针对C/C复合材料(记作CC)与TiAl合金两种高温结构材料的连接需求,系统研究了二者的钎焊和自蔓延反应连接。利用光学显微镜、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,分别研究了Ag-Cu-Ti和Ti-Ni-Cu两种钎料钎焊接头的界面显微组织和力学性能。通过研究工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响,确定了每种钎料的最佳工艺参数,阐明了接头微观组织和力学性能对应关系。此外,对于CC与TiAl的自蔓延反应连接进行了初步探索,研究了CC与TiAl自蔓延反应连接界面及自蔓延反应合成TiAl的显微组织。  Ag-Cu-Ti钎料能够实现CC与TiAl合金的钎焊连接,接头典型界面结构为CC/TiC/Ag(s.s)/AlCu2Ti/(Al,Cu)2Ti+Ti3Al/TiAl。当钎焊温度升高到940℃时,层状的界面结构被打破,AlCu2Ti相弥散分布到Ag(s.s)中。Ag与Ti的相互排斥决定了界面结构,进而影响接头力学性能。钎焊温度为900℃,保温时间为10min获得的接头抗剪强度最高,为13MPa。等温凝固形成的层状Ag(s.s)通过塑性变形缓解界面残余热应力,对提高接头力学性能有利,同时Ag(s.s)有助于抑制TiAl母材溶解的Ti向CC界面处的扩散,控制界面反应。通过CC表面扎孔构建非平直界面,接头抗剪强度可进一步提高到26MPa。  优选并制备了Ti-Ni-Cu多层箔钎料用于CC与TiAl合金的钎焊,以提高接头高温性能。接头的典型结构为:CC/TiC/Al2(Cu,Ni)Ti3C/Ti(Cu,Ni)+Al(Cu,Ni)2Ti/Al(Cu,Ni)Ti+Ti3Al/TiAl。钎焊温度为980℃,保温时间为10min时接头抗剪强度达到最大值18MPa,相应的600℃高温抗剪强度为22MPa。低连接工艺参数时CC侧界面容易生成脆性Ti2Ni相,导致界面开裂;连接工艺参数过高易则导致CC界面处TiC反应层的脱落,对接头力学性能均不利。  采用自蔓延反应连接方法在制备TiAl合金的同时实现了其与CC的连接。连接界面及自蔓延反应合成TiAl母材均经历了中间反应过程。界面处优先生成Al4C3反应层,而后转变为TiC和Al3Ti反应层。自蔓延合成TiAl经历了Al3Ti向TiAl和Ti3Al的转变过程,最终形成了以γ-TiAl为基的γ-TiAl+α2-Ti3Al双相TiAl合金。
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