TiBw/TC4复合材料的钎焊工艺与组织性能研究

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TiBw/TC4兼有钛合金低密度、耐腐蚀等优点,其中引入的增强体进一步提升了材料的耐磨性及高温蠕变强度,是复合材料的研究热点之一,具有广阔的应用前景。对TiBw/TC4复合材料进行连接研究,可有效实现其在工程上应用的推广,具有重要的实用价值。本课题使用Ti-Zr-Cu-Ni钎料和Ti-Zr-Cu-Ni+TiB2复合钎料钎焊TiBw/TC4复合材料,研究了钎焊工艺参数及焊缝中增强体含量对接头组织和性能的影响,探索了最佳钎焊工艺及复合钎料中TiB2最佳含量,并分析了接头微观组织与力学性能之间的关系。使用Ti-Zr-Cu-Ni钎料钎焊TiBw/TC4复合材料,接头主要由三部分构成:TiBw/TC4复合材料母材,(Ti,Zr)2Cu(Ni)金属间化合物和钛基固溶体两相组织,以及两者之间(α+β)魏氏体组织。钎料厚度、连接温度与保温时间影响接头中金属间化合物形态、数量和魏氏体组织大小,进而影响接头的连接强度。随着钎料厚度的增加连接强度先增加后降低,本试验条件下的最佳钎料厚度为30μm。保温时间10min,钎料厚度30μm,钎焊温度低于1200K时,随钎焊温度升高连接强度大幅度增加;1200K至1260K剪切强度基本维持在520MPa左右;更高的连接温度导致连接强度下降。不同钎焊温度条件下连接时间对接头强度的影响规律不一致,钎焊温度为1223K时,连接强度随保温时间延长而增加,并于30min以后趋于稳定,剪切强度达650MPa。1253K下保温10min连接强度出现了最大值,剪切强度为533MPa,继续增加连接时间导致接头组织粗大,强度降低。在最佳工艺1123K保温30min条件下进行拉伸试验,断裂发生在远离焊缝的母材,实现了等强连接,抗拉强度达1067MPa。Ti-Zr-Cu-Ni+TiB2复合钎料钎焊TiBw/TC4,钎焊过程中TiB2与Ti发生反应生成TiBw,接头主要由三部分构成:TiBw/TC4复合材料母材,焊缝中间位置的(TiBw+(Ti,Zr)2Cu(Ni))/α-Ti复合材料,以及两者之间(α+β)魏氏体组织。焊缝中原位生成的TiBw作为优先生成相在焊缝中均匀分布,尺寸为几微米至几十微米不等,并有部分增强体长入母材。产生的TiBw使焊缝组织细小,金属间化合物弥散分布,同时能起到钉扎、减少焊缝中金属间化合物的作用。采用Ti-Zr-Cu-Ni+5vol.%TiB2复合钎料钎焊TiBw/TC4,连接强度随钎焊温度升高先增加后降低,较低温度(1223K)下连接,焊缝中生成的TiBw进一步增加接头脆性,对连接强度不利;连接温度过高(1373K)或是延长保温时间(20min),钎料扩散及流动加强致使焊缝主要由TiBw构成,增强体架构的产生导致连接缺陷出现,同时高温连接导致魏氏体区域组织粗大,成为焊缝薄弱区。在最佳工艺参数(1253K保温10min)下变化钎料中TiB2含量,连接强度随TiB2含量增加先升高后降低,钎料中含10vol.%TiB2时室温剪切强度达到最大值481MPa,对该工艺条件下钎焊接头分别于773K及873K下进行高温剪切试验,接头剪切强度及剪切模量均高于同工艺合金钎料钎焊接头,剪切强度均超过400MPa,并且测试温度越高与同工艺下合金钎料钎焊接头性能相比优势越明显。
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