TiAl與TiC金屬陶瓷自蔓延反應(yīng)輔助擴(kuò)散連接機(jī)理研究.pdf

1、金屬與陶瓷的連接一直是連接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一，常規(guī)的連接方法很難滿足二者的連接要求。本文針對(duì)TiAl與TiC金屬陶瓷，開展了自蔓延反應(yīng)輔助擴(kuò)散連接問題的研究。采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方式，進(jìn)行了連接中間層的成分優(yōu)化，確定了采用粉末中間層時(shí)的接頭極限尺寸，并對(duì)采用這種特殊連接方法時(shí)的界面結(jié)構(gòu)和組織演化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，揭示了連接工藝參數(shù)對(duì)接頭性能及界面反應(yīng)的作用規(guī)律。
　　中間層優(yōu)化設(shè)計(jì)是自蔓延反應(yīng)輔助擴(kuò)散連接最根本

2、的工作，主要包括中間層組元選擇與成分確定兩個(gè)方面。針對(duì)粉末體系與預(yù)熱溫度對(duì)絕熱溫度的影響進(jìn)行計(jì)算，確定了適合TiAl與TiC金屬陶瓷連接的粉末中間層成分為Ti(17-47％)、Al(13-25%)、C(4-12%)、Ni(28-54%)(wt.%)。解明了Ti-Al-C-Ni四元體系的反應(yīng)機(jī)制，整體自蔓延反應(yīng)首先由Al-Ni系反應(yīng)引燃，而后引發(fā)Ti-C系反應(yīng)。基于對(duì)燃燒速度的試驗(yàn)測(cè)試和理論分析，求取了體系的表觀激活能，并利用反應(yīng)產(chǎn)物測(cè)試

3、對(duì)反應(yīng)機(jī)理分析進(jìn)行了驗(yàn)證。冷壁效應(yīng)是中間層自蔓延反應(yīng)熄滅的主要原因，利用連接過程傳熱分析確定了中間層自蔓延反應(yīng)熄滅的臨界燃燒溫度與速度，在考慮極限熱損失情況下，確定了中間層與兩側(cè)母材的極限長(zhǎng)度。
　　采用Ti-Al-C-Ni粉末中間層進(jìn)行了TiAl與TiC金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)輔助擴(kuò)散連接，典型的接頭界面層結(jié)構(gòu)為：TiAl/TiAl3/(Al-Ni)+TiC/Ni-rich/TiC-Ni。分析了采用粉末中間層時(shí)工藝參數(shù)對(duì)于連接過程的

4、影響，發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)輔助連接接頭比電場(chǎng)輔助連接接頭的致密度低，但是采用電場(chǎng)輔助連接時(shí)在接頭處容易產(chǎn)生裂紋。對(duì)粉末粒度、連接壓力、后熱處理溫度和時(shí)間等參數(shù)的作用效果進(jìn)行了分析，最終確定本試驗(yàn)條件下，合適的連接工藝參數(shù)為500MPa的預(yù)制坯壓力、40MPa的連接壓力、1050℃的連接溫度、60min的保溫時(shí)間，電場(chǎng)輔助連接，此時(shí)采用等摩爾比的TiAlCNi中間層能獲得抗拉強(qiáng)度為128.1MPa的連接接頭，斷口分析結(jié)果表明中間層反應(yīng)產(chǎn)物致密度是影

5、響連接質(zhì)量的主要原因。
　　研究了自蔓延反應(yīng)輔助釬焊方法的界面結(jié)構(gòu)和連接機(jī)理，基于體系熱分析及反應(yīng)產(chǎn)物孔隙率分析確定所需釬料量，針對(duì)TiAl自身及TiAl與TiC金屬陶瓷的連接進(jìn)行了試驗(yàn)。該方法利用中間層反應(yīng)放熱熔化釬料，液態(tài)釬料填充到中間層反應(yīng)產(chǎn)物的孔隙中從而能明顯的提高連接質(zhì)量，可以將高溫釬料的釬焊加熱溫度降至體系自蔓延反應(yīng)引燃溫度，同時(shí)提高接頭的使用溫度，該方向的深入研究對(duì)于自蔓延輔助連接技術(shù)的實(shí)用化具有重要意義。
　

6、　采用Al/Ni多層膜能夠?qū)崿F(xiàn)TiAl與TiC金屬陶瓷的自蔓延反應(yīng)輔助擴(kuò)散連接。連接接頭中沒有發(fā)現(xiàn)孔隙，典型的接頭界面層結(jié)構(gòu)為：TiAl/TiAl+Ti3Al+NiAl2Ti/NiAl2Ti/Ni2AlTi/Ni3(AlTi)/AlNi/AlNi3/TiC-Ni。納米壓痕和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，在TiC金屬陶瓷側(cè)出現(xiàn)的AlNi3層是影響連接質(zhì)量的主要原因。對(duì)納米多層膜與微米多層膜的反應(yīng)性能、反應(yīng)產(chǎn)物以及連接接頭界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用納