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采用钛基活性钎料通过真空高温钎焊连接高强石墨与高强石墨、高强石墨与再结晶SiC、碳/碳复合材料与碳/碳复合材料,对焊接件的接头力学性能、焊接过程中的元素扩散和界面反应等进行了深入研究。具体研究内容如下:
1.采用Ti50Cr50(焊料中Ti粉、Cr粉的含量均为50wt%)焊料进行高强石墨和高强石墨的焊接;
2.采用Ti91.7Ni8.3(焊料中Ti粉的含量为91.7wt%、Ni粉的含量为8.3wt%)焊料进行高强石墨和高强石墨的焊接;
3.采用(Ti91.7Ni8.3)+W粉焊料对高强石墨和再结晶SiC进行连接;
4.采用(Ti91.7Ni8.3)+W粉焊料对碳/碳复合材料进行连接。
采用Ti50Cr50焊料,连接尺寸为Ф10×20mm的高强石墨,研究了焊接工艺参数对连接件性能的影响,获得的最佳工艺参数为:焊接温度1420℃,保温时间2min,炉冷,焊料质量280mg。在此工艺下制取的连接件的相对强度最高,为56.95%。微观结构研究表明,石墨/焊料界面处形成了两个反应层:一个为富Cr的反应层(反应层一),一个为富Ti的反应层(反应层二);且在其它工艺条件均相同的条件下,降温速率越快,反应层厚度越小。XRD分析表明,反应层一由Cr2Ti和Cr33C6组成,反应层二由TiC、Ti和Cr7C3组成,焊料内部主要有TiC、Cr2Ti、Cr33C6。
采用Ti91.7Ni8.3焊料,成功地连接了尺寸为Ф10×20mm的高强石墨。确定最佳工艺参数:焊接温度1420℃,保温时间20min,降温速率10℃/min,焊料量280mg,在此工艺下所得连接件的最高相对强度为62.55%。微观结构研究表明,连接过程中在石墨/焊料界面处C元素和Ti元素发生了显著的互扩散,生成了厚度约150m的反应层,实现了良好的界面结合,界面处没有发现Ni元素。接头区域的XRD分析表明,在石墨/焊料界面上几乎全部为TiC,在焊料内部距此界面200μm处仍有部分TiC存在,但主相是纯Ti,还有部分Ti2Ni。在焊料内部距此界面400μm处的主相是纯Ti,次相是Ti2Ni,无TiC存在。
选取连接高强石墨时效果较好的Ti91.7Ni8.3焊料对高强石墨和再结晶SiC进行焊接时,由于焊料金属与母材(尤其是再结晶SiC)的热膨胀系数差异过大,导致焊接件中的残余应力非常大,试样脱模后从陶瓷近缝区断裂,断口呈杯状。在Ti91.7Ni8.3焊料中添加一定量的W粉,可有效地缓解焊接件中的残余热应力,实现对高强石墨和再结晶SiC的连接,Ti91.7Ni8.3混合粉与W粉的最佳配比为2:1(wt%)。通过一系列的实验获得了最佳工艺参数:焊接温度1420℃,保温时间25min,降温速率5℃/min,焊料量250mg。所得连接件的最大抗弯强度为13.95MPa。微观结构分析表明,焊料与母材中的各元素在界面处有明显的扩散,在焊料/石墨界面处还有厚度约5μm的一个富Ti的反应层。对最佳工艺条件下所得的焊接件的XRD分析表明,在SiC/焊料界面处的界面反应产物以TiC为主,还有少量的Ni3C和W5Si3相。
采用Ti91.7Ni8.3焊料连接C/C复合材料没有获得成功。因为C/C复合材料本身致密性差,且Ti91.7Ni8.3焊料对C/C复合材料具有良好的润湿性。因此,在焊接温度下,液态焊料被大量吸入母材中,以至不足以形成完整、无缺陷的接头。在Ti91.7Ni8.3混合粉中添加一定量的W粉,可有效地的减少焊料向母材中的渗透,实现了对C/C复合材料的真空钎焊,Ti91.7Ni8.3混合粉与W粉的最佳配比为3:1(wt%)。通过一系列的实验获得了最佳工艺参数:焊接温度1460℃,保温时间20min,降温速率10℃/min,焊料质量280mg。在此工艺条件下连接尺寸为10×10×5mm的块状C/C复合材料,剪切强度为24.32MPa。接头区域微观结构分析表明:C元素向焊缝中有一定的扩散;焊缝内的Ti含量很少,大部分Ti元素聚集在界面处,还有一部分在毛细作用下渗透到C/C复合材料内部;Ni元素主要分布在焊料内部以及界面上,有少量的Ni元素扩散入母材中;W元素如所期望的那样,富集在焊缝内部,界面上很少,有少量扩散入母材内部。对最佳工艺条件下所得的焊接件的接头区域的XRD分析表明:主要的反应产物为焊料中的Ti元素与母材中的C元素发生界面反应生成的TiC,还有部分未参加反应的Ti,以及焊料中的各元素间形成的NiTi和TiXW1-X合金相(卡片号:49-1440)。