先进材料的焊接

Ti-Al金属间化合物焊接性分析摘要：TiAl合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的高温力学性能和优异的抗氧化性能等优点，是未来应用于航空、航天飞行器热端部件的理想候选材料。相比于传统应用的Ni基高温合金，TiAl合金的部分取代能够显著减轻飞行器的重量，提高其飞行及发射效率。因此，研究TiAl合金与Ni基高温合金的连接对于TiAl合金在航空航天、武器制造等领域的广泛应用具有非常重要的意义。文主要介绍了Ni-Al金属间化合物在钎焊、搅拌摩擦焊、电子束焊焊接性的分析。1Ti-Al金属间化合物钎焊焊接性分析1.1TiAl与Ni基合金接触反应钎焊性[1]以Ti为中间层实现了TiAl与Ni基合金的接触反应钎焊。采用扫描电镜和电子探针等手段对钎焊接头的界面结构及生成相进行分析，并对接头剪切强度进行测试。结果表明：当钎焊温度为960℃时，钎缝主要由Ti。。和Ti2Ni组成；当钎焊温度从960℃升高到1000℃时，钎缝中生成Ti—Al及A1一Ni—Ti化合物，典型界面结构为：GH99／(Ni，Cr)。。／Ti2Ni+A1Ni2Ti+TiNi／Ti3A1+A13NiTi2／Ti3Al+A13NiTi2／TiAl；钎焊温度继续升高，Ti3Al和A13NiTi2变得粗大，导致接头性能下降。当钎焊温度为1000℃，保温10min时，接头剪切强度达到最大值233MPa。随钎焊温度的升高，钎缝厚度先增加后减小1)采用Ti作中间层，可以实现TiAI合金与Ni基高温合金的接触反应钎焊连接。2)当钎焊温度为960℃时，钎缝主要由Tiss+Ti2Ni组成，随着钎焊温度的升高，进入钎缝中的Al原子增多，开始生成Ti．Al及Al—Ni—Ti的化合物。当钎焊温度为1000℃，保温10rain时，钎焊接头的典型界面组织结构为：GH99／(Ni，Cr)。。／Ti2Ni+A1Ni2Ti+TiNi／Ti3AI+A13NiTi2／Ti3A1+A13NiTi2／TiAl。此外，随着钎焊温度的升高，钎缝厚度先增加后减小。3)在所选的试验参数范围内，随着钎焊温度的升高接头的剪切强度先升高后降低，当钎焊温度为1000℃，保温10min时，接头的剪切强度值最高，达到233MPa。4)接头的界面反应过程分为4个阶段：固相扩散及反应阶段、液相产生阶段、等温凝固阶段和残余液相凝固析出阶段。1.2TiAI合金与42CrMo钢钎焊接分析[2]在1143～1213K、120～1500s参数范围内以Ag．Cu—Ti箔为钎料对TiAI合金与42CrMo钢进行了真空钎焊试验。采用光学显微镜、扫描电镜、元素面扫描和能谱分析等方法对界面组织进行了分析，测量了界面反应层厚度。分祈了界面反应层的形成过程及受控因素，计算了反应层成长的动力学参数。结果表明，接头界面反应层包括靠近TiAl合金的A1CuTi+Ti3AI层、AICu2Ti层以及靠近42CrMo钢的TiC层，其成长活化能分别为324.97、207.97、338.03kJ/mol。TiAl合金与钎科的界面反应层受控于液态钎料中的Cu元素，成长较快；42CrMo钢与钎料间的TiC层受控于固态钢中C元素，成长较慢。脆性反应层A1CuTi+Ti3A1层厚度为3.3um时接头强度最高，脆性层厚度继续增大，接头强度显著下降。1)TiAl／Ag-Cu／Ti／Ag—Cu／42CrMo钎焊接头界面反应层包括：靠近TiAI合金的Ti3AI+AICuTi层、A1Cu2Ti层以及靠近42CrMo钢的TiC层。2)AICu2Ti反应层依附于TiAl合金母材形成并长大，Ti、A1的扩散路径相对较短，液态钎料合金又可以源源不断地提供Cu，长大速度相对较大；A1CuTi+Ti3A1反应层的成长受制于Cu原子在固相A1Cu2Ti中的扩散，因而长大速度相对较小；TiC的生长受控于来自固态42CrMo钢中的C元素，因此，TiC的生成速度相对很小，反应层的厚度也一直很小。3)计算得到TiAl／AgCuTi／42CrMo钎焊接头界面TiC、A1Cu2Ti和Ti3AI+A1CuTi反应层成长的动力学参数，基于试验测量的数据，采用数学拟合的方法得出头强度最好；超过4gm时接头力学性能显著下降。2Ti-Al金属间化合物摩擦焊焊接性分析2.1Ti-Al金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊焊接性分析[3]焊接接头的宏观形态表明见图1,TiAl的宏观变形程度小于NiCr20TiAl，飞边较小；NiCr20TiAl一侧变形较大，相应的飞边也较大。表明在焊接温度下的高温强度远大于。(1)TiAl与NiCr20TiAl摩擦焊接优化工艺规范为：Pf为3.6MPa,Pd为5.22,tf为4.5s，td为5.0s;接头拉伸强度可达到390MPa以上；(2)在摩擦焊接过程热力耦合的作用下，界面近区均发生了动态再结晶，并形成细晶层，而TiAl侧的变形程度较低。(3)TiAl和NiCr20TiAl主要合金元素在界面两侧的小幅扩散，是其实现固态连接的主因;尤其在界面区未见脆性相生成，表明采用摩擦焊接技术连接TiAl与NiCr20TiAl是可行的。图1TiAl-NiCr20TiAl摩擦焊接头宏观形貌3Ti-Al金属间化合物电子束焊焊接性分析3.1金属间化合物Ni3Al材料电子束焊[4]定向凝固Ni3AI基高温台金电子柬焊琏中所产生的裂纹有宏观裂纹，此外微观裂纹均在熔台线附近沿晶界开裂，在显微镜下观察时，可以发现具有晶间破坏的特征，在有些焊缝的断面上发现有氧化，说明裂纹是在高温下产生的，因此，分析该裂纹为热裂纹。产生热裂纹的因素是复杂的，是多方面的，但概括起来，主要是冶金因素和应力因素，二者之间既有内在的联系，又有各自独立的变化规律。但就具体的焊接件而言，产生热裂纹往往是冶金因素和应力因素共同作用的结果。(1)定向凝固Ni3Al基高温合垒电子柬焊缝易产生热裂纹，目前尚不能完全消除。(2)在定向凝固Ni3A1基商温台盒电子柬焊接时，增大电子柬加速电压、提高焊接速度，并采用聚焦焊接等方法，可以减少焊箍产生热裂纹。(3)由于定向凝固N3Al基高温台金为一种新登材料，要彻底消除熔焊焊缝中热裂纹的产生，。言先捌在不降低其原有的性能的弼时，改进材料的焊接性I其次，在定向凝固Ni，AI基高温合金电子柬焊缝中蔼加第三种金属，以减少热裂纹的产生．添加第三种童属的厚度和成分还有待进一步试验、研究。参考文献[1]李海新，林铁松，何鹏，王显军，冯吉才.TiAI与Ni基合金接触反应钎焊接头界面组织及性能.稀有金属材料与工程,2012.11.[2]李玉龙，冯吉才，何鹏，杨瑾.TiAI合金与42CrMo钢钎焊接头界面反应层成长及其对力学性能的影响.稀有金属材料与工程.2012.10.[3]王忠平，钟燕，张立军，周正航等Ti-Al金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊接分析.电焊机,2004.9.[4]毛智勇，左从进.金属间化合物Ni。Al材料电子束焊接性研究.材料工程.2001.