TiAl合金与Ni基高温合金用钛基钎料及其钎焊技术研究

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TiAl合金具有高比刚度、高比强度以及优异的抗氧化性能和良好的高温力学性能,是目前具有潜力取代镍基高温合金和耐热钢的理想的轻质高温结构材料。与Ni基高温合金相比,TiAl合金的密度仅为其一半,用它取代部分Ni基高温合金应用于航空、航天飞行器可以显著减轻飞行器的重量,进而增加工作效率和降低燃油消耗。钎焊被认为是实现TiAl合金与Ni基高温合金连接较为有效的方法。本课题主要是研制一种适合TiAl合金和GH536镍基高温合金钎焊用的新型低熔点钛基钎料合金,并着重研究其钎焊连接技术。研究了新型钛基钎料的钎焊工艺特性及相应钎焊工艺参数对TiAl合金与Ni基高温合金钎焊接头的显微组织和力学性能的影响规律,阐明了钎焊接头显微组织的形成机理。研制了Ti-30Zr-10Fe-5Cu-4Ni-3Co-2Mo(wt.%)钎料合金,运用SEM、EDS、XRD和DSC等对钎料合金的显微组织、熔化特性和润湿铺展性进行检测分析。结果表明,快速凝固技术制备的钎料合金箔带组织均匀、元素分布均匀,具有较低的固液相线以及窄的熔化温度区间。钎料的润湿铺展面积都随着试验温度和保温时间的增大而增大。钎焊接头由TiAl合金一侧到GH536合金一侧的典型界面组织包括Ⅰ层(Ti3Al+TiAl)、Ⅱ层(Al3NiTi2)、Ⅲ层(以AlNi2Ti为主,并含有富铬(Cr,Ni,Fe)ss、富镍(Cr,Ni,Fe)ss和(Ni)ss+TiNi3)和Ⅳ层(以富铬(Cr,Ni,Fe)ss为主,并含有富镍(Cr,Ni,Fe)ss、AlNi2Ti和(Ni)ss+TiNi3)。钎焊温度对TiAl合金和GH536合金在熔融钎料中的溶解程度以及Al、Cr、Fe等元素在钎焊缝中的含量及分布有着明显影响,是钎焊接头界面显微组织的主要决定因素。钎焊过程中,TiAl/钎料界面处Ⅰ层首先生成,与此同时在钎料/GH536界面处形成富镍(Cr,Ni,Fe)ss层;随着合金元素的进一步扩散,在Ⅰ层远离TiAl合金一侧依次生成Ⅱ层和Ⅲ层,GH536合金界面处富镍(Cr,Ni,Fe)ss层转变为富铬(Cr,Ni,Fe)ss层,即Ⅳ层形成。钎焊接头的室温抗剪强度随着钎焊温度或保温时间的增加都呈现先增大后减小的趋势,在钎焊温度1150℃保温10 min获得最大抗剪强度183 MPa。研究发现,钎焊接头经抗剪强度测试后的断口呈脆性断裂,裂纹起源于Ⅱ层并在其中扩展,同时有部分裂纹扩展到Ⅰ层和Ⅲ层,断口表面的主要产物为Al3NiTi2金属间化合物。钎焊接头的硬度分布曲线大致呈“M”型,且随着钎焊温度的升高越来越趋于平缓状态。
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