TiAl合金液相扩散连接工艺及机理研究

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TiAl合金具有高温强度优异、刚性好、比重轻(3.8g/cm3)等众多优点,被认为是一种有巨大应用潜力的高温结构材料。实现TiAl合金的良好连接是其广泛应用的重要技术。本文基于液相扩散连接的原理,以Cu、Ni作为中间层降熔元素,分别以Ti/Cu及Ti/Ni叠层箔片作为中间层材料对TiAl合金进行连接。系统研究了TiAl合金液相扩散连接的界面扩散、反应机理,阐明了母材溶解及Al原子和降熔元素扩散对界面组织的影响规律,建立了接头界面扩散、反应模型,获得了组织近于母材的接头,并揭示了工艺参数对界面组织的影响以及接头组织与力学性能的对应关系。TiAl /Ti/Cu /TiAl接头组织演化规律表明:连接温度及保温时间对接头界面组织产生很大影响。在保温3h,连接温度为950℃-1000℃时,接头界面由三个反层组成:Ti3Al(α2)+AlCuTi(少量)/α22+Ti2Cu(对称结构),在连接温度为1050℃及1100℃时,接头界面已不存在明显的反应层,α2+AlCuTi的混合相组织;保温时间的适当延长,有助于接头界面组织的均匀化;基于接头组织演化规律及界面各相得生成原理,建立了界面扩散、反应模型;基于该模型原理,控制了界面组织结构:在连接温度为1150℃保温15min的工艺下,获得了理想的接头,接头界面两侧为α2相,中间区域为α2相为基体相,弥散分布着细颗粒状AlCuTi相。室温压剪强度最高可达269MPa, 800℃高温抗剪强度达220MPa。TiAl /Ti/Ni /TiAl接头组织演化规律表明:Al原子向接头界面中的扩散以及降熔元素Ni的存在形式、分布是界面组织结构的主控因素,Ti/Ni中间层成分中的Ti含量增加,会降低中间液相对母材的溶解量,不利于等温凝固过程迅速完成,所以控制中间层中Ti、Ni适当的比例对控制界面组织及等温凝固过程十分重要。连接温度为970℃、1000℃保温3h时,界面组织为明显三个反应层:α2+τ3/α22+Ti2Ni (对称结构);连接温度为1100℃保温3h,整个界面无明显层状结构,界面组织为α2+Al3NiTi2(τ3)相。在1050℃,τ3相是在等温凝固过程生成,但该温度下所需等温凝固时间较长。通过TiAl /Ti/Ni /TiAl接头在1100℃-1200℃温度下界面组织的演化规律及相关相图和扩散路径分析,建立了界面扩散、反应模型,基于该模型解释了界面组织生成过程和机理。在连接温度为1150℃保温5min的连接工艺下,获得了理想的接头界面:界面组织为α2+τ3,其中α2相作为基体相,其间分布着数量很少、细小的τ3相,而且两相分布比较均匀。接头室温及800℃高温断裂形式分别为解理断裂和准解理断裂,同时接头室温及800℃高温抗剪强度分别达到峰值,为281MPa及243MPa。
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