TiAl合金與Si3N4陶瓷釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、Si3N4陶瓷以其優(yōu)異的力學(xué)性能及良好的透波性能成為下一代天線罩材料的首選,在天線罩裝配和服役過(guò)程中,需實(shí)現(xiàn)罩體與金屬的連接。TiAl合金具有高比強(qiáng)度和比剛度,良好的抗氧化性以及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。實(shí)現(xiàn)二者的連接制成應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域的構(gòu)件,不僅可以減重而且能夠提高服役溫度。本課題旨在實(shí)現(xiàn)TiAl合金與Si3N4陶瓷的釬焊連接,通過(guò)試驗(yàn)確定了合適的釬料體系;基于界面反應(yīng)產(chǎn)物的表征分析了釬焊過(guò)程中釬料與母材之間的反應(yīng),深入探討

2、了釬焊連接機(jī)理。根據(jù)復(fù)合強(qiáng)化理論,設(shè)計(jì)了納米 Si3N4顆粒增強(qiáng)的AgCuTi復(fù)合釬料,并采用該釬料實(shí)現(xiàn)了TiAl合金和Si3N4陶瓷的連接。通過(guò)界面結(jié)構(gòu)的分析解明了釬焊過(guò)程中納米顆粒的反應(yīng)及彌散機(jī)理。采用有限元模擬及 X射線應(yīng)力分析的方法,對(duì)接頭殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了分析。
　　開(kāi)發(fā)了TiNiNb和TiNiV兩種TiNi基高溫共晶釬料,并采用這兩種釬料圍繞 TiAl合金和Si3N4陶瓷進(jìn)行了釬焊連接試驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了TiAl合金的高

3、質(zhì)量釬焊連接。通過(guò)SEM,EDS,TEM以及 XRD等分析方法確定了TiAl/TiNiNb界面結(jié)構(gòu)為:TiAl/B2+γ+O-Ti2AlNb/γ+τ3-Al3(Ti,Nb)2Ni+O-Ti2AlNb;TiAl/TiNiV界面結(jié)構(gòu)為:TiAl/B2+γ/B2+τ3-Al3NiTi2+γ/B2+τ3-Al3NiTi2。采用TiNiNb釬料在1200℃和1220℃釬焊時(shí)獲得的接頭分別具有最高的室溫及高溫抗剪強(qiáng)度為308MPa和172MPa。采

4、用TiNiNb和TiNiV釬料釬焊 Si3N4陶瓷自身及TiAl合金時(shí)發(fā)現(xiàn)釬料與兩側(cè)母材均能發(fā)生冶金反應(yīng),并在釬縫中形成了連續(xù)的TiN、Ti-Si及 Ni2Ti脆性化合物層。然而,在接頭殘余應(yīng)力的作用下于脆性化合物中形成了貫穿釬縫的裂紋,即使采用Nb箔作為應(yīng)力緩解層也無(wú)法實(shí)現(xiàn)TiAl合金和Si3N4陶瓷的可靠連接。
　　采用具有塑性變形能力的AgCu共晶釬料實(shí)現(xiàn)了TiAl合金與Si3N4陶瓷的可靠連接。接頭典型界面結(jié)構(gòu)為:TiAl

5、/B2/AlCuTi/AlCu2Ti/Ag(s,s)+AlCu2Ti/TiN+Ti5Si3+AlCu2Ti/Si3N4。釬焊過(guò)程中,活性元素Ti與陶瓷反應(yīng)形成了連續(xù)的TiN+Ti5Si3反應(yīng)層;一部分 Cu與TiAl反應(yīng)在TiAl側(cè)形成了連續(xù)的AlCuTi及AlCu2Ti反應(yīng)層。V與Al反應(yīng)形成了彌散分布的細(xì)顆粒 Al3V化合物,作為AlCu2Ti相析出的形核質(zhì)點(diǎn),導(dǎo)致了顆粒狀 AlCu2Ti相在釬縫中的彌散分布?；谠囼?yàn)結(jié)果,獲得了T

6、iN反應(yīng)層成長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程。另外,在研究釬焊工藝對(duì)TiAl/AgCu/Si3N4界面結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)釬焊溫度較低或時(shí)間較短時(shí),反應(yīng)層厚度較薄,顆粒狀 AlCu2Ti化合物在Ag基體中彌散程度較差;當(dāng)釬焊溫度較高或時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),反應(yīng)層厚度顯著增加,顆粒狀 AlCu2Ti化合物聚集長(zhǎng)大,釬縫中出現(xiàn)裂紋。當(dāng)釬焊工藝合適時(shí)(860℃/5min),在釬縫中形成了彌散分布的顆粒狀 AlCu2Ti化合物增強(qiáng)的Ag基復(fù)合材料組織。
　　為了緩解

7、接頭殘余應(yīng)力及提高接頭高溫性能,采用機(jī)械球磨的方法制備了納米Si3N4增強(qiáng)的AgCuTi復(fù)合釬料(AgCuTic),并采用該復(fù)合釬料成功實(shí)現(xiàn)了TiAl合金和Si3N4陶瓷的連接,接頭典型界面結(jié)構(gòu)為:TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9+TiN+Ti5Si3+Ag(s,s)/TiN+Ti5Si3/Si3N4。釬焊過(guò)程中,液相釬料中的Ti元素與納米Si3N4反應(yīng)形成了納米尺寸的TiN和Ti5Si3顆粒,這些顆粒作為微米尺度Al4Cu9化合

8、物的形核質(zhì)點(diǎn),使得釬縫中形成了微納米顆粒增強(qiáng)的Ag基復(fù)合材料組織。研究發(fā)現(xiàn) Ti元素的溶解及擴(kuò)散是Ag基復(fù)合材料組織釬縫形成的關(guān)鍵因素,基于試驗(yàn)結(jié)果,獲得了880℃條件下 TiAl合金的溶解厚度方程。復(fù)合釬料中增強(qiáng)相含量、釬焊溫度、釬焊時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響較大,當(dāng)增強(qiáng)相含量為3 wt.％,釬焊溫度為880℃,釬焊時(shí)間為5min時(shí),接頭室溫及高溫(400℃)抗剪強(qiáng)度最大分別為115MPa和156MPa,比采用AgCu

9、Ti釬料獲得的接頭強(qiáng)度提高一倍。
　　研究了復(fù)合釬料使用對(duì)接頭性能改善的原因,一方面復(fù)合釬縫中彌散分布的細(xì)顆粒 TiN及 Ti5Si3化合物作為第二相通過(guò)剪切滯后、位錯(cuò)強(qiáng)化及 Orowan強(qiáng)化等方式強(qiáng)化了Ag基體,提高了釬縫性能;另一方面通過(guò)降低釬縫的熱膨脹系數(shù)在一定程度上緩解了接頭殘余應(yīng)力,從而提高了接頭室溫及高溫性能。接頭殘余應(yīng)力有限元模擬結(jié)果表明:復(fù)合材料的使用對(duì)接頭的應(yīng)力分布形式影響不大,但減小了殘余應(yīng)力分布區(qū)域以及應(yīng)力峰