【摘 要】
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TiAl合金由于其低密度、高比强度以及优良的高温抗蠕变性能等,在航空航天领域有着广泛的应用前景。但完全采用TiAl合金加工整体构件,成本高且难以实现。因此,实现TiAl合金与陶瓷或其它金属的连接对降低航空器结构重量、拓展其使用范围起着重要作用。本文针对TiAl合金的潜在连接对象（Al2O3陶瓷、Ti基复合材料、GH4169合金）系统研究连接工艺、接头界面反应产物形成机理及其与接头力学性能的关系。首
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51801112）；
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TiAl合金由于其低密度、高比强度以及优良的高温抗蠕变性能等,在航空航天领域有着广泛的应用前景。但完全采用TiAl合金加工整体构件,成本高且难以实现。因此,实现TiAl合金与陶瓷或其它金属的连接对降低航空器结构重量、拓展其使用范围起着重要作用。本文针对TiAl合金的潜在连接对象（Al2O3陶瓷、Ti基复合材料、GH4169合金）系统研究连接工艺、接头界面反应产物形成机理及其与接头力学性能的关系。首先,针对与Al2O3陶瓷的连接,本文设计了新型AgCu+Nb复合钎料。采用不同钎焊温度、不同Nb颗粒添加来系统研究钎焊工艺对接头的界面组织及力学性能影响规律,研究发现钎焊接头的典型组织为:TiAl/AlCuTi+AlCu2Ti/Ag（s,s）+Cu（s,s）+Nb+AlCu（Ti,Nb）/Ti3（Cu,Al）3O/Al2O3。钎焊温度过低时,接头组织中出现了大量的焊接缺陷。随着钎焊温度的升高TiAl合金侧AlCu2Ti反应层厚度和Al2O3陶瓷侧Ti3（Cu,Al）3O反应层厚度均呈增加的趋势。使用AgCu+10wt.%Nb复合钎料在钎焊温度为870℃时形成的钎焊接头剪切强度最高,可达228MPa。对钎焊接头残余应力进行了分析发现采用添加10wt.%Nb的复合钎料后,最大拉应力值降低了约12.6%,即采用复合钎料后,接头整体残余应力有所降低。针对与Ti基复合材料（TMCs）的连接,选取了 Ti-28Ni合金、TiZrNiCu非晶钎料,分析了两种钎料在母材上的润湿性情况,探讨了两种钎料在不同钎焊温度下对TiAl/TMCs接头界面组织以及力学性能的影响。采用Ti-28Ni钎料连接时,随着钎焊温度的升高,TiAl侧界面反应层的厚度增加,钎缝内Ti2Ni相体积分数降低。在1010℃连接时,钎缝内连续粗大的Ti2Ni相消失。钎焊接头处的典型组织为:TiAl/α2-Ti3Al+Al3NiTi2/α2-Ti3Al/Ti（s,s）+Ti2Ni+TiC/TMCs。在1010℃钎焊时,所获得的接头强度最大为469.5MPa。采用TiZrNiCu非晶钎料连接时,接头的典型组织为:TiAl/α2-Ti3Al+Ti（s,s）/（Ti,Zr）2（Cu,Ni）+Ti2Cu+Ti（s,s）/TMCs。在900℃连接时,接头中形成大量连续的（Ti,Zr）2（Cu,Ni）相;钎焊温度提高至960℃时,TiAl合金侧生成了更多的α2-Ti3Al相,抑制了 Al向钎缝中的扩散,导致钎缝中部A1含量降低。钎焊温度继续升高后,连续的（Ti,Zr）2（Cu,Ni）相进一步减少,α2-Ti3Al相增加。当钎焊温度为990℃时,TiAl/TiZrNiCu/TMCs接头获得最大的剪切强度为230MPa。在此基础上分析了两种钎料对TiAl/TMCs接头的影响。针对与GH4169合金的连接,分析了 Ti-28Ni合金、TiZrNiCu非晶钎料对母材的润湿性,结果表明两种钎料在TiAl合金表面的润湿性均高于GH4169合金。分析了两种钎料对TiAl/GH4169合金接头界面产物与力学性能的影响。采用Ti-28Ni合金钎料连接时,接头的典型组织为:TiAl/α2-Ti3Al+Al3NiTi2/Ti2Ni+Ti（s,s）+α2-Ti3Al/Cr（Cr,Ni）ss+Ni（Cr,Ni）ss/GH4169。接头强度随钎焊温度的升高先升高再降低,在钎焊温度为1010℃时,接头的剪切强度达到最大,约为183.7MPa。较低的钎焊温度导致界面反应层较薄,接头断裂于GH4169合金侧的反应区。钎焊温度超过1040℃后,元素扩散剧烈,界面处形成明显裂纹,不利于接头力学性能。采用TiZrNiCu非晶钎料连接时,钎焊接头的典型组织为:TiAl/α2-Ti3Al+A13（Ni,Cu）Ti2+Al（Ni,Cu）2Ti/AlCu2（Ti,Zr）+（Ti,Zr）（Ni,Cu）+Ti2（Ni,Cu）/Cr（Ni,Cr,Fe）ss+Ni（Ni,Cr,Fe）ss/GH4169。钎焊温度的升高导致反应层厚度增加,但是过高的钎焊温度会引起Al（Ni,Cu）2Ti、Ti2（Ni,Cu）相尺寸增加,不利于接头力学性能的提高。钎焊温度在960℃时,接头性能达到最大值241.9MPa。通过对比两种钎料对力学性能的影响,分析了两种钎料对TiAl合金与GH4169合金接头的影响规律。分析了接头界面各反应相形成的自由能以及各元素之间的混合焓,结合接头组织变化规律,阐明了钎焊接头形成机理,建立了不同钎料对TiAl合金溶解行为的数学模型,获得了不同钎料连接TiAl合金界面反应层的生长动力学方程。
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