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TiAl合金高温性能优异、密度低,是未来应用于航空航天领域的理想轻质高温结构材料。相比于传统的Ni基高温合金构件,TiAl合金的部分取代,不仅可以减重而且能够提高其工作效率,因此研究二者的连接对于拓宽其应用领域具有重要意义。本文以Ti基材料为中间层,采用固相扩散连接和液相扩散连接两种方法进行了TiAl与Ni基高温合金(GH99)的连接,深入分析连接机理,确定最佳工艺参数,获得了高强度和耐高温的连接接头。 采用Ti基中间层固相扩散连接TiAl与GH99合金,对接头的界面组织及接头性能进行分析。纯Ti作中间层时所得接头典型界面结构为:GH99/Ni(Cr)ss/富Ti-Ni(Cr)ss/TiNi/Ti2Ni/Tiss/Ti(Al)ss+Ti3Al/TiAl。在900℃/30min/20MPa时获得接头室温、600℃和800℃的抗剪强度分别为261MPa、162MPa和89MPa;采用TC4钛合金中间层时,接头界面组织结构与纯Ti作中间层时基本相同,在920℃/30min/20MPa时接头室温抗剪强度(225MPa)略低于纯Ti作中间层时,但其高温抗剪强度(600℃时为187MPa,800℃时为148MPa)较纯Ti作中间层时高;采用置氢 TC4钛合金中间层缓慢加热(50℃/min)固相扩散连接时,由于加热过程中氢的逸出,氢促进扩散连接作用不明显。但当采用快速加热(20℃/s)时,以置氢0.5wt.％TC4钛合金作中间层较未置氢 TC4钛合金中间层时,连接温度大约降低50℃,保温时间减少10min,接头室温(259MPa)及高温抗剪强度(600℃时为212MPa,800℃时为175MPa)均略高于未置氢TC4钛合金作中间层时。对固相扩散连接接头残余应力有限元模拟得出,最高残余应力在GH99/中间层界面处,降低连接温度接头残余应力降低,TC4钛合金作中间层时接头最高残余应力高于纯Ti作中间层时。 采用纯Ti中间层液相扩散连接TiAl与GH99合金,对接头界面组织及工艺参数对界面组织的影响进行了分析。所得接头典型界面结构为:GH99/Ni(Cr)ss(γ)+富 Ti-γ/TiNi(β2)+TiNi2Al(τ4)+Ti2Ni(δ)/Al3NiTi2(τ3)+Ti3Al(α2)+δ+αTi+βTi/α2+τ3/TiAl。连接过程中Al元素的溶解、扩散是影响接头界面组织结构的主要因素之一。提高连接温度、延长保温时间和减小中间层厚度均导致连接接头中 Al元素含量增加,相应的δ相数量减小,τ3相数量增加,当连接接头两侧界面处形成厚度较大的τ3反应层时,对接头性能产生不利影响。 TiAl/Ti/GH99液相扩散连接接头具有较高的强度和良好的高温稳定性。在1000℃/10min时获得接头室温、600℃和800℃的抗剪强度分别达到258MPa、201MPa和159MPa,接头断裂于靠近GH99/中间层界面的中间层中,为解理断裂和沿晶断裂的混合断裂。将1000℃/10min时获得接头在800℃下时效后界面组织中有较多短棒状δ相和微孔出现,时效1h、3h和5h后接头抗剪强度分别为201MPa、160MPa和138MPa,接头断口中有较多微孔和二次裂纹存在。 根据连接工艺参数对接头界面组织影响规律,确定了界面形成过程,具体分为以下几个阶段:两待焊母材与中间层的物理接触;中间层与两侧母材的原子互扩散、固态反应阶段;Ti-Ni共晶液相的形成、Ti中间层的完全溶解及两侧母材的部分溶解;连接温度下两侧母材继续向中间层液相中溶解、液相成分均匀化及部分相等温凝固析出;熔融中间层对两侧母材溶解停止、界面处反应层厚度增加及包晶反应的发生;τ3相凝固析出,共晶组织形成及液相完全凝固阶段。分析了接头中来自于 GH99合金的合金元素及来自于 TiAl的Al元素的作用,其中合金元素的存在延迟了GH99/Ti界面液相的产生,促进了接头中βTi相和Ti3Al相的生成,且对提高接头塑性及整体性能具有重要作用。 通过对TiAl/Ti/GH99液相扩散连接的微观过程进行分析,确定了扩散连接初期液相形成的主控过程,建立了Ti中间层完全溶解前后两侧界面移动速率方程及液相层的扩展模型,并对Ti中间层完全溶解所产生液相层宽度与Ti中间层厚度之间的关系及Ti中间层溶解时间与厚度的关系进行计算。建立了TiAl与GH99合金的溶解厚度模型,并得出最终液相层宽度与保温时间的关系。