【摘 要】
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TiAl合金具有密度低、比强度高,韧性好、抗氧化、抗疲劳和良好的高温力学性能等优点,被认为是最具有发展潜力和广泛应用的材料之一。但TiAl合金在800 ℃以上强度和高周疲劳性能会迅速下降,进而限制其实际应用。316L不锈钢由于耐磨性好、可焊性和热稳定性较高,且生产成本较低,在航空航天、核能、化工等领域应用广泛,被认为是具有优异综合力学性能的结构材料之一。但316L不锈钢在氯离子环境中会发生腐蚀,促
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TiAl合金具有密度低、比强度高,韧性好、抗氧化、抗疲劳和良好的高温力学性能等优点,被认为是最具有发展潜力和广泛应用的材料之一。但TiAl合金在800 ℃以上强度和高周疲劳性能会迅速下降,进而限制其实际应用。316L不锈钢由于耐磨性好、可焊性和热稳定性较高,且生产成本较低,在航空航天、核能、化工等领域应用广泛,被认为是具有优异综合力学性能的结构材料之一。但316L不锈钢在氯离子环境中会发生腐蚀,促进点蚀反应进程,使其在船舶、航海等工业应用上存在不确定性。TiAl合金和316L不锈钢的连接不仅能够满足不同工作条件下对材质的要求,而且能够充分利用金属各自优点满足工业对材料结构性能等多方面的使用要求,降低生产成本。但其复合结构的焊接难点在于如何减少接头界面脆性金属间化合物的产生,因此充分了解TiAl合金和316L不锈钢钎焊和接头界面反应机制对于异种金属焊接工艺至关重要。本文以TiAl合金和316L不锈钢作为研究对象,制备四种不同的钎料Zr35.7Cu64.3-xNix,采用真空钎焊方式进行连接,深入研究元素扩散行为、界面反应及钎焊接头力学性能随工艺参数的演变规律。基于生长动力学理论,根据试验结果对界面反应层的生长行为进行探究,优化真空钎焊工艺参数,推动TiAl合金/316L不锈钢焊接工艺的开发与应用。采用Zr35.7Cu43Ni21.3钎料对TiAl合金和316L不锈钢在不同温度和不同时间下进行真空钎焊,结果发现:温度和时间虽然发生变化,但是钎缝内所产生的物相大致相同。1040 ℃/10 min时典型接头从TiAl合金到316L不锈钢侧的界面组织依次为γ（TiAl）+Al Cu Ti/α2（Ti3Al）+Al Cu Ti/Al Cu+Zr Cu Ni+Fe Zr/Cu8Zr3+Zr Cu Ni+Ti Fe+Fe2Zr/Fe Zr+Fe2Zr+Ti Fe2+Zr Cu/α-（Fe,Cr）。当钎焊温度由1020 ℃升高至1080 ℃时,接头的剪切强度先增加后降低,在1040 ℃时达到最大值140 MPa;随着钎焊时间由10 min延长至35min,在25 min时接头剪切强度达到最大值162 MPa。随着钎焊温度的升高,钎缝中反应层V和VI区的厚度逐渐增加,且反应层V和VI区的生长动力学分别满足lnw=-27.46T-1+24.49和lnw=-20.62T-1+17.86,反应层V和VI区的生长激活能分别为456.60k J/mol和342.87 k J/mol。裂纹在Fe Zr+Fe2Zr+Ti Fe2+Zr Cu处萌生,沿着Cu8Zr3+Zr Cu Ni+Ti Fe+Fe2Zr和α-（Fe,Cr）扩展,呈解理断裂模式,Fe2Zr和Fe Zr等硬脆性相恶化了接头性能。本文研究结果表明,TiAl合金/316L不锈钢异种金属真空钎焊最优工艺参数为钎焊温度1040 ℃、保温时间25 min。为探讨Ni元素对钎缝微观组织及接头性能的影响,采用不同Ni含量的钎料(Zr35.7Cu64.3-xNix)进行TiAl合金和316L不锈钢真空钎焊,结果表明:Zr（35.7）Cu64.3-xNix钎料钎焊接头的界面组织主要由Al Cu Ti三元化合物、γ-（TiAl）相、Al Cu相、Zr-Cu相、Ti-Cu相、Ti-Ni相、Zr Cu相、（Zr Al Ni）Cu相、Fe Cr相组成。随着Ni含量的增加,钎焊接头的强度呈上升趋势,在1040 ℃/25 min时,采用Zr35.7Cu43Ni21.3钎料获得最高剪切强度162 MPa。所有接头在Fe2Zr/α-（Fe,Cr）界面处发生断裂,呈现典型的解理断裂特征,断裂模式为脆性断裂。
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