论文部分内容阅读
C/C复合材料与TiAl合金是两种轻质兼具优异使用性能的材料，具有广阔的应用前景。本文采用了一种简便、高效、节能的连接方法，即自蔓延反应连接的方法，对这两种高温结构材料的连接展开了系统的研究。采用理论计算与试验相结合的方法，优化设计了连接中间层的成分，揭示了连接中间层的反应机理。采用扫描电镜及能谱分析、X射线衍射分析和力学性能测试等方法，对自蔓延反应连接接头的界面微观结构、组织演化规律和力学性能进行了分析，并研究了连接工艺参数对接头界面结构及力学性能的影响规律。基于待焊母材的成分和性能，选择了Ti-Al和Ti-Al-C粉末体系作为连接中间层。对中间层反应的热力学及动力学特性进行了分析，计算了中间层体系的绝热温度Tad及其与预热温度之间的关系。基于理论计算的结果，优化设计了满足体系自蔓延反应要求的十种中间层成分，并对中间层自蔓延反应的表观激活能进行了计算。结合中间层的差热分析(DTA)、燃烧波淬熄试验及自蔓延合成产物的组织分析，对中间层的反应机理进行了研究。Ti-Al-C中间层反应起始于体系中铝的熔化，由Ti-Al系反应引燃，反应以溶解-析出的机制进行，而后引发Ti-C系发生反应。在此基础上，对Ti-Al系合金的自蔓延反应合成及其与C/C复合材料的自蔓延反应原位连接进行了研究，在Ti-Al-C中间层与C/C复合材料的连接接头界面处出现了元素互扩散的现象。基于自蔓延反应原位连接的结果及焊接性分析，采用Ti-Al-C中间层配合Ag-Cu-Ti钎料箔实现了C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应间接连接。在低于钎料熔点条件下，中间层发生自蔓延反应产热可以使钎料发生熔化，液态钎料在C/C复合材料表面润湿、铺展并浸透整个中间层。接头界面结构分析表明：在TiAl侧形成TiAl2/TiAl3反应层结构；接头中间反应区域是由中间层合成产物与液态钎料相互作用形成的，包括以Ti核为中心的环形结构、小块TiAl3相及弥散分布于银灰色基体内的TiC相；在CC侧形成了TiC反应产物。中间层的厚度、成分对接头的界面结构及力学性能影响较大。在满足中间层放热要求的前提下，使用厚度较薄的中间层可以获得更好的界面结合。在设计的成分范围内，选择放热量大的中间层可获得更高的接头强度。采用Ti35Al45C20中间层在最佳的工艺条件下所获的接头抗剪强度最高，可达17.59MPa，接头断裂于C/C复合材料侧。