TiAl基合金用钛基非晶箔带钎料制备及钎焊工艺研究

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TiAl基合金具有密度低、屈强比高、比刚度高、抗氧化性好、高温抗蠕变性好等优异的性能,是一种理想的轻质耐高温结构材料,被广泛应用于航空航天等领域。在TiAl基合金的实际应用当中,尤其是应用在制备结构复杂的部件时,必然会涉及到连接的问题。而钎焊作为一种既精密又方便的连接方法,由于焊接温度较低,对母材影响小,非常有利于高性能TiAl基合金接头的生成。为了进一步发挥钎焊这种低焊接温度的优势,本文以Ti-35Zr-15Cu-15Ni(wt.%)合金为基础,适量添加Co、Mo合金元素,优化得出新型低熔点钛基钎料Ti-25Zr-12.5Cu-12.5Ni-3Co-2Mo(wt%)。通过快速凝固制备技术获得熔化特性良好的非晶箔带钎料,分析研究了该钛基钎料的组织成分和钎焊工艺特性。再采用该钎料对Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.15B(at.%)母材合金进行了真空钎焊试验,研究了钎焊温度和钎焊保温时间对TiAl合金钎焊接头的组织和力学性能的影响规律。研究显示,晶态钎料Ti-25Zr-12.5Cu-12.5Ni-3Co-2Mo(wt%)的物相主要包含α-(Ti,Zr)和(Ti,Zr)2(Cu,Ni)。经过快速凝固技术制备技术得到的箔带钎料中各元素分布较为均匀,组织呈非晶态,与晶态钎料相比具有更低的固、液相线和更窄的熔化区间,物相为单一的非稳态β-(Ti,Zr)。钎料的润湿铺展面积均随着加热铺展温度和保温时间的增大而增大,当润湿铺展温度超过1000℃时,钎料的润湿铺展面积有急剧增大趋势,而随着保温时间的延长,润湿铺展面积虽有增加但增幅趋于减缓。钎焊接头的界面显微组织主要包括靠近母材合金侧的界面反应层Ⅰ和中心钎焊层II两个部分。随着钎焊温度升高到1000℃后,钎焊接头的界面显微组织发生了明显变化,界面反应层I由连续细层片状的α2-Ti3Al变得不规则;由于原来的α-Ti相区溶入了大量Al元素,生成了Ti3Al,中心钎焊层II中由含少量γ-(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的α-Ti、含少量α-Ti的γ-(Ti,Zr)2(Cu,Ni)以及γ-(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的三相混合区转变为α2-Ti3Al和高铝(Ti,Zr)2(Cu,Ni)的两相混合区。而当保温时间增加时,界面反应层Ⅰ和中心钎焊层II的形貌和宽度均没有发生明显的变化,这说明钎焊接头的显微组织主要受控于钎焊温度。随着钎焊温度的升高和钎焊保温时间的延长,钎焊接头的室温剪切强度均呈先增大后减小的趋势。钎焊接头的室温剪切强度最高可达到152MPa,对应的钎焊工艺参数为钎焊温度1000℃,钎焊保温时间5min。剪切过程中,钎焊接头的断裂面均主要位于中心钎焊层II,裂纹起源于中心钎焊层II且主要沿着(Ti,Zr)2(Cu,Ni)和Ti3Al金属间化合物进行扩展,呈脆性断裂。
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