TiAl合金与Si3N4陶瓷钎焊工艺及机理研究.pdf

国内图书分类号: 学校代码: 10213 国际图书分类号: 密级:公开工学博士学位论文 TiAl 合金与 Si 3 N 4 陶瓷钎焊工艺及机理研究博士研究生:宋晓国导师: 冯吉才教授副导师: 曹健副教授申请学位:工学博士学科:材料加工工程所在单位:材料科学与工程学院答辩日期: 2012 年 6 月授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: : Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON BRAZING PROCESS AND MECHANISM OF TiAl ALLOY TO Si 3 N 4 CERAMIC Candidate : Song Xiaoguo Supervisor : Prof. Feng Jicai Associate Supervisor : Asso. Prof. Cao Jian Academic Degree Applied for : Doctor of Engineering Speciality : Materials Processing Engineering Affiliation : School of Materi als Science and Engineering Date of Defence : June, 2012 Degree-Conferr ing-Institution : Harbin Institute of Technology 摘要- I - 摘要 Si 3 N 4 陶瓷以其优异的力学性能及良好的透波性能成为下一代天线罩材料的首选,在天线罩装配和服役过程中,需实现罩体与金属的连接。 TiAl 合金具有高比强度和比刚度,良好的抗氧化性以及优异的高温力学性能。实现二者的连接制成应用于航空航天、武器装备等领域的构件,不仅可以减重而且能够提高服役温度。本课题旨在实现 TiAl 合金与 Si 3 N 4陶瓷的钎焊连接,通过试验确定了合适的钎料体系;基于界面反应产物的表征分析了钎焊过程中钎料与母材之间的反应,深入探讨了钎焊连接机理。根据复合强化理论,设计了纳米 Si 3 N 4 颗粒增强的 AgCuTi 复合钎料,并采用该钎料实现了 TiAl 合金和 Si 3 N 4 陶瓷的连接。通过界面结构的分析解明了钎焊过程中纳米颗粒的反应及弥散机理。采用有限元模拟及 X 射线应力分析的方法,对接头残余应力的分布进行了分析。开发了 TiNiNb 和 TiNiV 两种 TiNi 基高温共晶钎料, 并采用这两种钎料围绕 TiAl 合金和 Si 3 N 4 陶瓷进行了钎焊连接试验,成功实现了 TiAl 合金的高质量钎焊连接。通过 SEM , EDS , TEM 以及 XRD 等分析方法确定了 TiAl/TiNiNb 界面结构为: TiAl/B2+ γ+O-Ti 2 AlNb/ γ+ τ 3-Al 3(Ti,Nb) 2Ni+O-Ti 2 AlNb ;TiAl/TiNiV 界面结构为: TiAl/B2+ γ/B2+ τ 3 -Al 3NiTi 2 + γ/B2+ τ 3-Al 3NiTi 2 。采用 TiNiNb 钎料在 1200°C 和 1220°C 钎焊时获得的接头分别具有最高的室温及高温抗剪强度为 308MPa 和 172MPa 。采用 TiNiNb 和 TiNiV 钎料钎焊 Si 3 N 4 陶瓷自身及 TiAl 合金时发现钎料与两侧母材均能发生冶金反应,并在钎缝中形成了连续的 TiN 、 Ti-Si 及 Ni 2 Ti 脆性化合物层。然而,在接头残余应力的作用下于脆性化合物中形成了贯穿钎缝的裂纹,即使采用 Nb 箔作为应力缓解层也无法实现 TiAl 合金和 Si 3 N 4 陶瓷的可靠连接。采用具有塑性变形能力的 AgCu 共晶钎料实现了 TiAl 合金与 Si 3 N 4 陶瓷的可靠连接。接头典型界面结构为: TiAl/B2/AlCuTi/AlCu 2Ti/Ag(s,s)+AlCu 2Ti /TiN+Ti 5 Si 3 +AlCu 2Ti/Si 3 N 4。钎焊过程中,活性元素 Ti 与陶瓷反应形成了连续的 TiN+Ti 5 Si 3 反应层;一部分 Cu 与 TiAl 反应在 TiAl 侧形成了连续的 AlCuTi 及 AlCu 2 Ti 反应层。 V 与 Al 反应形成了弥散分布的细颗粒 Al 3 V化合物,作为 AlCu 2 Ti 相析出的形核质点,导致了颗粒状 AlCu 2 T