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先进材料的焊接范文先进材料的焊接范文 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 1Ti Al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233M Pa 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 2Ti AI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 A ICu2Ti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Ti3 AI 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Ni Cr20Ti Al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 2 2 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1Ti Al Ni Cr20Ti Al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 xx 11 2 李玉龙 冯吉才 何鹏 杨瑾 TiAI合金与42
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