ZSC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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ZSC复合材料具有高熔点、高强度、高热导率和电导率以及优良的高温抗氧化性,实现其和GH99镍基高温合金的连接可应用于鼻锥、机翼前缘等空间飞行器热防护系统。但是,ZSC与GH99在钎焊过程中可相互作用发生剧烈的溶解反应,恶化接头组织和力学性能。本文从界面反应控制的角度制备了NiCrNb钎料和HEA-0.8Ti高熵体系钎料。研究了钎焊工艺参数对接头界面组织及力学性能的影响规律,优化了连接工艺;揭示了界面反应控制的热力学条件。针对ZSC与GH99热膨胀系数差异大的问题设计了网状复合中间层结构缓解接头残余应力。元素Ni与ZSC复合材料的界面溶解—反应会使复合材料母材发生一定的金属化转变,并在钎缝组织中生成大量脆性硼化物和硅化物,削弱接头性能。Ti、Cr等活性元素与ZSC复合材料的有效界面反应可以从热力学和动力学上对该溶解反应进行抑制。使用NiCrNb钎料作中间层,在1190℃,保温20min的工艺参数下, Ni与ZSC复合材料的界面溶解—反应被有效抑制,接头抗剪强度最高为48MPa。但NiCrNb钎料钎焊接头组织和力学性能受工艺参数变化的影响较大,连接质量不稳定。采用电弧熔炼的方法制备FeCoNiCuCr五元高熵合金,并与Ti箔复合成HEA-0.8Ti复合箔片高熵钎料,钎料熔点为1120℃。采用HEA-0.8Ti复合箔片高熵钎料钎焊ZSC与GH99,接头典型界面结构为:ZSC/TiB/CrB+Cr2B+Cr5B3B/FCC+TiC/FCC/GH99。高熵合金所具有的高熵效应和延迟扩散效应,使接头组织性能在较宽的工艺范围内保持稳定。在1180℃,保温60min时所得接头室温和800℃高温抗剪强度最高,分别可达71MPa和48MPa。设计网状复合中间层结构缓解接头残余热应力,通过改变金属网种类以及孔隙填充相成分实现中间层线膨胀系数和弹塑性变形能力的良好匹配以及钎焊连接面积的预置可控。采用Nb网,Ni网+W,Ni网+Y2O3三种类型的网状复合中间层结构钎焊ZSC和GH99,所得接头抗剪强度分别可达80MPa,86MPa和92MPa。结合Miedema二元生成热模型和综合几何模型建立了多元活性系数计算模型。采用Dictra软件对金属母材溶解过程进行了模拟。结果表明,通过对不同钎料体系中活性主元活度的计算可以预先对复合材料侧界面反应进行有效控制,而对母材溶解过程进行模拟则可用于钎料稳定性评价以及钎焊工艺参数的优化。
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