TiAl與GH99高溫合金的擴(kuò)散連接工藝及機(jī)理研究.pdf

1、TiAl合金高溫性能優(yōu)異、密度低,是未來(lái)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的理想輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。相比于傳統(tǒng)的Ni基高溫合金構(gòu)件,TiAl合金的部分取代,不僅可以減重而且能夠提高其工作效率,因此研究二者的連接對(duì)于拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。本文以Ti基材料為中間層,采用固相擴(kuò)散連接和液相擴(kuò)散連接兩種方法進(jìn)行了TiAl與Ni基高溫合金(GH99)的連接,深入分析連接機(jī)理,確定最佳工藝參數(shù),獲得了高強(qiáng)度和耐高溫的連接接頭。
　　采用Ti基中間層固相擴(kuò)

2、散連接TiAl與GH99合金,對(duì)接頭的界面組織及接頭性能進(jìn)行分析。純Ti作中間層時(shí)所得接頭典型界面結(jié)構(gòu)為:GH99/Ni(Cr)ss/富Ti-Ni(Cr)ss/TiNi/Ti2Ni/Tiss/Ti(Al)ss+Ti3Al/TiAl。在900℃/30min/20MPa時(shí)獲得接頭室溫、600℃和800℃的抗剪強(qiáng)度分別為261MPa、162MPa和89MPa;采用TC4鈦合金中間層時(shí),接頭界面組織結(jié)構(gòu)與純Ti作中間層時(shí)基本相同,在920℃/3

3、0min/20MPa時(shí)接頭室溫抗剪強(qiáng)度(225MPa)略低于純Ti作中間層時(shí),但其高溫抗剪強(qiáng)度(600℃時(shí)為187MPa,800℃時(shí)為148MPa)較純Ti作中間層時(shí)高;采用置氫 TC4鈦合金中間層緩慢加熱(50℃/min)固相擴(kuò)散連接時(shí),由于加熱過(guò)程中氫的逸出,氫促進(jìn)擴(kuò)散連接作用不明顯。但當(dāng)采用快速加熱(20℃/s)時(shí),以置氫0.5wt.％TC4鈦合金作中間層較未置氫 TC4鈦合金中間層時(shí),連接溫度大約降低50℃,保溫時(shí)間減少10mi

4、n,接頭室溫(259MPa)及高溫抗剪強(qiáng)度(600℃時(shí)為212MPa,800℃時(shí)為175MPa)均略高于未置氫TC4鈦合金作中間層時(shí)。對(duì)固相擴(kuò)散連接接頭殘余應(yīng)力有限元模擬得出,最高殘余應(yīng)力在GH99/中間層界面處,降低連接溫度接頭殘余應(yīng)力降低,TC4鈦合金作中間層時(shí)接頭最高殘余應(yīng)力高于純Ti作中間層時(shí)。
　　采用純Ti中間層液相擴(kuò)散連接TiAl與GH99合金,對(duì)接頭界面組織及工藝參數(shù)對(duì)界面組織的影響進(jìn)行了分析。所得接頭典型界面結(jié)構(gòu)

5、為:GH99/Ni(Cr)ss(γ)+富 Ti-γ/TiNi(β2)+TiNi2Al(τ4)+Ti2Ni(δ)/Al3NiTi2(τ3)+Ti3Al(α2)+δ+αTi+βTi/α2+τ3/TiAl。連接過(guò)程中Al元素的溶解、擴(kuò)散是影響接頭界面組織結(jié)構(gòu)的主要因素之一。提高連接溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間和減小中間層厚度均導(dǎo)致連接接頭中 Al元素含量增加,相應(yīng)的δ相數(shù)量減小,τ3相數(shù)量增加,當(dāng)連接接頭兩側(cè)界面處形成厚度較大的τ3反應(yīng)層時(shí),對(duì)接頭性能

6、產(chǎn)生不利影響。
　　TiAl/Ti/GH99液相擴(kuò)散連接接頭具有較高的強(qiáng)度和良好的高溫穩(wěn)定性。在1000℃/10min時(shí)獲得接頭室溫、600℃和800℃的抗剪強(qiáng)度分別達(dá)到258MPa、201MPa和159MPa,接頭斷裂于靠近GH99/中間層界面的中間層中,為解理斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂。將1000℃/10min時(shí)獲得接頭在800℃下時(shí)效后界面組織中有較多短棒狀δ相和微孔出現(xiàn),時(shí)效1h、3h和5h后接頭抗剪強(qiáng)度分別為201MPa、

7、160MPa和138MPa,接頭斷口中有較多微孔和二次裂紋存在。
　　根據(jù)連接工藝參數(shù)對(duì)接頭界面組織影響規(guī)律,確定了界面形成過(guò)程,具體分為以下幾個(gè)階段:兩待焊母材與中間層的物理接觸;中間層與兩側(cè)母材的原子互擴(kuò)散、固態(tài)反應(yīng)階段;Ti-Ni共晶液相的形成、Ti中間層的完全溶解及兩側(cè)母材的部分溶解;連接溫度下兩側(cè)母材繼續(xù)向中間層液相中溶解、液相成分均勻化及部分相等溫凝固析出;熔融中間層對(duì)兩側(cè)母材溶解停止、界面處反應(yīng)層厚度增加及包晶反應(yīng)的

8、發(fā)生;τ3相凝固析出,共晶組織形成及液相完全凝固階段。分析了接頭中來(lái)自于 GH99合金的合金元素及來(lái)自于 TiAl的Al元素的作用,其中合金元素的存在延遲了GH99/Ti界面液相的產(chǎn)生,促進(jìn)了接頭中βTi相和Ti3Al相的生成,且對(duì)提高接頭塑性及整體性能具有重要作用。
　　通過(guò)對(duì)TiAl/Ti/GH99液相擴(kuò)散連接的微觀過(guò)程進(jìn)行分析,確定了擴(kuò)散連接初期液相形成的主控過(guò)程,建立了Ti中間層完全溶解前后兩側(cè)界面移動(dòng)速率方程及液相層的擴(kuò)