C/C复合材料与GH99镍基高温合金钎焊工艺及机理研究

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本文针对C/C复合材料及GH99镍基高温合金作为高温结构材料在航空航天及核工业领域的使用要求,采用BNi2箔片钎料及自行配置的BNi2+TiH2粉末钎料对二者进行了真空钎焊连接。以理论分析结合试验研究的方法,研究连接工艺参数对接头微观组织的影响规律,揭示界面产物形成热力学因素及形成机理;分析连接工艺参数对接头力学性能影响规律,解明接头的断裂行为机制,优化连接工艺。BNi2箔片钎料钎焊接头界面组织为:C/C复合材料/Ni(s,s)+Cr7C3+MC/ Ni(s,s)+Cr7C3+MC+(Cr,Mo,W)xNiySiz+Ni3Si/Ni(s,s)+Cr7C3+MC/GH99。研究了工艺参数对界面结构的影响:随钎焊温度的升高或保温时间的延长,接头界面碳化物含量升高。对BNi2钎料界面反应机理进行了分析,反应过程分三步包括:升温过程中界面物理接触;钎料熔化至保温结束过程中元素溶解扩散及碳化物生成、长大及分布状态的改变;降温过程中Cr7C3析出。采用抗剪强度评价了接头性能,结果表明:随钎焊温度的提高或保温时间的延长,接头抗剪强度先增加后降低,当钎焊温度为1170℃、保温时间为60min时,C/C复合材料/BNi2/GH99接头室温抗剪强度可达35.4MPa,800℃及1000℃高温抗剪强度可分别达到15.3及8.6MPa。接头断裂全部发生在复合材料母材上。在对BNi2钎料界面反应、接头性能及断裂行为研究基础之上,本文提出了一种新型的自配BNi2+TiH2粉末钎料,通过在BNi2粉末钎料中加入不同成分的TiH2粉末钎料,最终优选出理想TiH2加入量为58wt.%。使用该成分钎料对C/C复合材料及GH99进行了钎焊连接。通过对接头界面SEM、EDS及XRD分析可以得出BNi2+TiH2钎料接头界面结构为: C/C复合材/Ni(s,s)+Cr7C3+MC/(M+C)/Ni(s,s)+(MC,Cr7C3)+ Cr7C3+MC +(Cr,Mo,W)xNiySiz+Ni3Si/Ni(s,s)+Cr7C3+MC/GH99镍基高温合金。同时分析了接头界面反应机理,得到BNi2+TiH2钎料界面反应模型。通过抗剪强度评价了接头力学性能,结果表明:接头抗剪强度随钎焊温度升高及保温时间延长先增加后降低,当钎焊温度为1170℃、保温时间为60min时,使用BNi2+5wt.%钎料接头室温抗剪强度最高可达37.8MPa,800℃及1000℃高温抗剪强度可分别达到16.0MPa及8.7MPa。此接头性能优于BNi2钎料钎焊接头性能。
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