Cu(Ni)-Ti合金对三种高温结构材料的润湿及界面行为研究

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高温合金、高温结构陶瓷和陶瓷增强金属基复合材料三大高温材料目前在航空航天等领域应用广泛,其中固相烧结SiC、GH3030超耐热合金和Ti(B,C)/TC4复合材料为其各自的典型代表。在这些高温结构材料使用过程中,经常需要与自身或其他高温结构材料进行钎焊连接,而合金钎料与它们之间的润湿性及界面行为直接影响钎焊接头性能,从而决定其钎焊部件的服役性能。本文在制备Ti(B,C)/TC4复合材料的基础上,重点研究了Cu-50Ti和Ni-71Ti两种合金对这三种高温结构材料的润湿和界面行为。获得的主要结果和结论如下:Cu-50Ti和Ni-71Ti合金分别在960?1000°C和1090?1170°C对固相烧结SiC的润湿性与温度呈正相关,其中Cu-50Ti/SiC体系的接触角均在30°以下,而Ni-71Ti/SiC体系的接触角由75°下降到24°,表明升高温度能显著改善Ni-71Ti合金在SiC衬底上的润湿性。Cu元素与衬底SiC反应除有硅化物产生外,还有石墨产生,导致Cu-50Ti/SiC体系润湿性较差,而Cu-50Ti合金中的Ti元素可以与SiC发生反应,形成硅化物和碳化物,改善了体系的润湿性。Ni-71Ti合金中的Ti2Ni是低熔点的固溶体,它的液态传质作用对润湿过程起着驱动作用。Ni-71Ti合金中的Ni与SiC反应产生硅化物和石墨,且石墨层的厚度随温度升高加厚,而Ti的存在可以减弱石墨化。由于两种合金与SiC陶瓷热膨胀系数的差异,容易在降温过程中产生微裂纹,甚至会导致润湿界面的剥离。Cu-50Ti和Ni-71Ti合金分别于960?1000°C和1090?1170°C温度下均对GH3030超耐热合金有良好的润湿性,接触角均<20°。Cu-50Ti/GH3030界面有明显的分层现象,即Cu-50Ti合金中Cu和Ti与GH3030中的Ni元素在界面形成富含Cu、Ti和Ni的反应层,且反应层厚度随润湿温度的升高而增加,该反应层中的金属间化合物和固溶体有助于合金与衬底的界面结合。而Ni-71Ti合金与GH3030超耐热合金体系为典型的相互溶解润湿,表现出合金“嵌入”超耐热合金衬底中,形成圆弧形的界面,Ni、Ti元素扩散深度随着润湿温度的升高而增加。Cu-50Ti和Ni-71Ti合金分别在960?1000°C和1090?1170°C对Ti(B,C)/TC4复合材料的润湿性均极好,在所有实验温度下的接触角均<15°,而温度对润湿性的影响很小。当Cu-50Ti合金对Ti(B,C)/TC4复合材料润湿时,Cu在与衬底的界面主要以CuxTiy相的形式存在。当Ni-71Ti合金对Ti(B,C)/TC4复合材料润湿时,会发生强烈的界面反应,且Ni在界面主要以Ni-Ti和Ni-C化合物的形式存在。合金和衬底间剧烈的界面反应,不仅促进了Cu(Ni)-Ti合金在复合材料衬底上的铺展,也有助于增强合金与复合材料之间的界面结合。
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