ZrC-SiC陶瓷与TC4钛合金钎焊工艺及机理研究

发布时间：2020-08-12 14:38

【摘要】：当前姿控发动机喷管材料耐热温度较低,极大限制了喷管在高温环境中的服役。近年来,开发超高温陶瓷材料作为新一代喷管材料得到了研究者的广泛关注。ZrC-SiC陶瓷是一种新型的超高温复相陶瓷,ZrC与SiC相的复合使用使其具有极高的耐热温度及抗氧化性,具有在高温环境中服役的潜力。在喷管结构的使用中,需要将喷管与TC4钛合金过渡环进行连接。本文采用钎焊方法对ZrC-SiC陶瓷与TC4钛合金进行连接。在陶瓷-金属钎焊体系中,陶瓷表面惰性高、难以与常规金属钎料发生反应;陶瓷与金属热膨胀系数差异会在接头中产生残余应力,恶化接头性能。针对上述问题,本文采用含Ti活性钎料对二者进行连接,对钎料成分及钎焊工艺参数进行优化,获得高质量钎焊接头,并揭示钎焊界面反应机理。设计激光熔覆梯度层缓解接头残余应力,解明梯度层对接头的增强机制。采用AgCuTi钎料对ZrC-SiC陶瓷与TC4钛合金进行钎焊,以分析该焊接体系焊接性。Ti元素与ZrC-SiC陶瓷的反应是实现陶瓷连接的关键,而焊缝中塑性较强组织的生成有利于获得高强度接头。为了提高接头的高温性能,采用TiCuNi对ZrC-SiC陶瓷与TC4钛合金进行钎焊,钎焊过程中钎料与ZrC-SiC陶瓷反应生成TiC反应层,从而实现对ZrC-SiC陶瓷的连接。与此同时,焊缝中形成IMCs区域、亚共晶组织区域及过共析组织区域。钎料中Ti含量为70wt.%,钎焊温度为970℃,保温时间为10min时,接头最高抗剪强度为43MPa。此时接头断裂位于靠近焊缝的ZrC-SiC陶瓷母材上,残余应力是接头断裂的重要原因。对钎料中Ti元素活度进行了计算,通过固液界面处Ti元素化学势的对比,分析了界面反应机理。钎料中Ti元素化学势高于TiC反应层中Ti化学势,TiC向钎料中释放C原子,为TiC反应层的生长提供C源。总结了钎焊接头形成过程包括四个阶段,第一阶段,钎料熔化后与ZrC-SiC陶瓷反应生成TiC与少量(Ti,Zr)_5Si_3混合的反应层,与此同时,TC4钛合金的溶解使钎料近TC4钛合金侧发生等温凝固;第二阶段,在钎焊的降温过程中,焊缝中间位置处液态钎料发生亚共晶反应,生成亚共晶组织;第三阶段,当温度降低到900℃附近时,靠近ZrC-SiC陶瓷处钎料凝固生成IMCs区域;第四阶段,继续冷却过程中,钎料等温凝固区域发生过共析转变,形成过共析组织区域。对钎焊冷却过程中接头的残余应力及剪切试验过程中接头的应力分布进行了数值模拟,用以设计梯度层结构缓解接头残余应力。钎焊过程中,ZrC-SiC陶瓷、钎缝组织、梯度层及TC4钛合金热膨胀系数差异较大,使冷却过程中的收缩变形量差异较大,在约束作用下ZrC-SiC陶瓷内产生平行于焊缝方向的压应力;而在ZrC-SiC陶瓷边界处产生垂直于焊缝方向的拉应力。梯度层的添加使ZrC-SiC陶瓷各向应力均降低,ZrC-SiC陶瓷棱边处最大主应力峰值从564MPa降低至452MPa。在剪切过程中,残余应力与剪切载荷产生应力的叠加在靠近焊缝ZrC-SiC陶瓷棱边处产生应力集中,导致接头断裂。根据ZrC-SiC/TC4接头模型推测ZrC-SiC陶瓷断裂应力接近648MPa,计算得到梯度层添加会使接头强度从43MPa提高至81MPa。采用激光熔覆方法在TC4钛合金表面制备双层SiC颗粒(SiC_p)增强的梯度材料。通过优化工艺参数,获得了SiC_p体积分数分别为20%与39%的梯度材料。对梯度材料中SiC_p增强相与TC4钛合金基体的界面反应进行了研究。SiC_p与液相接触时分解为Si与C原子,Si、C进入熔池与Ti发生反应生成TiC与Ti_5Si_3。TiC与Ti_5Si_3的存在使梯度材料中的TC4钛合金基体硬度升高。从TC4钛合金母材到梯度熔覆层,TC4钛合金基体的显微硬度分别约为400HV,600HV与800HV。采用TiCuNi钎料对表面熔覆梯度层的TC4钛合金(TC4-FGM)与ZrC-SiC陶瓷进行钎焊,分析典型接头界面结构。探讨钎焊工艺参数对接头界面结构与力学性能的影响规律。工艺参数主要通过影响接头中Ti_2(Ni,Cu)的厚度与钎料-梯度层界面反应进而控制接头力学性能。对比了梯度层添加前后钎缝组织的改变,梯度层的添加主要影响ZrC-SiC陶瓷侧反应层的厚度与焊缝中过共析组织的生成。研究了II层熔覆层厚度及其中SiC_p体积分数对接头强度的影响。当钎焊温度为970℃,保温时间10min时,接头最高抗剪强度为91MPa,相比直接钎焊接头提高110%。采用弹性模型计算接头残余应力,近焊缝ZrC-SiC陶瓷母材上为压应力状态,TC4钛合金中主要为拉应力状态。梯度层的添加使ZrC-SiC陶瓷压应力峰值由499MPa下降至444MPa。II层熔覆层厚度的增大及其中SiC_p体积分数的增大均会使接头残余应力下降。残余应力变化趋势与接头剪切强度变化规律吻合。此外,梯度层添加后焊缝中ZrC-SiC陶瓷侧Ti_2(Ni,Cu)层厚度变小,同样有利于接头残余应力的降低。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG454
【图文】：

结构图,喷管,结构图

前世界局势风云变幻，构建强大的国防力量对维护国土安全、人要。因此，近年来国家重点发展航空航天技术，并且取得了很大的器制备过程中，姿控发动机是控制飞行器精确飞行的关键。为了的姿控发动机，开发新型耐高温抗烧蚀的喷管材料逐渐得到研究。当前应用较为广泛的喷管材料为 C/SiC 复合材料[3-5]及 C/C 复合材C/SiC 复合材料中 SiC 基体使该材料可靠使用温度在 1650℃以下，度下使用；C/C 复合材料由碳纤维穿刺编织制备得到，材料中存孔隙，会使喷管服役过程中出现漏火等现象，降低喷管结构的推发 C/SiC 与 C/C 复合材料的替代材料亟待解决。超高温陶瓷因为烧蚀及良好的高温性能得到了广泛的关注[9-14]。ZrC 陶瓷是典型的料，当向其中添加 SiC 增强相时，会提高陶瓷材料的抗氧化性及8]。因此，ZrC-SiC 陶瓷可以作为下一代喷管材料。在实际的喷管结要与金属过渡环进行连接，如图 1-1。常用的过渡环材料为 Nb 。其中 TC4 钛合金具有密度低、成本低的优点。因此，实现 ZrCTC4 钛合金的连接对于制备耐高温、大推进力的喷管结构具有重要

陶瓷界面,扩散连接,反应生成物,纯Ni

图 1-2 纯 Ni 扩散连接 ZrC-SiC 陶瓷界面反应生成物[32]Fig. 1-2 The reaction products of the ZrC-SiC and pure Ni[32](a) the formation of Ni2Si, (b) the ZrC/Ni interface林巧力[33]研究了 1753K 条件下纯金属 Ni 在 ZrC 陶瓷表面的润湿行为。首先对其铺展过程进行了分析，初始条件下，Ni 在 ZrC 陶瓷表面的表观接触角约为 73°，随后熔体铺展，接触角逐渐降低，在 325s 时，体系达到平衡，接触角为 32°，即 Ni 熔体在 ZrC 陶瓷表面实现了良好的润湿。作者对润湿界面处液态钎料对 ZrC 陶瓷的溶蚀现象进行了分析，如图 1-4 所示。在 ZrC 边界位置

界面组织,界面分析

图 1-3 连接温度对接头界面组织的影响[32]Fig. 1-3 Effect of the joining temperature on the microstructure of the joint[32](a) and (b) the joint ontained at 1000℃, (c) and (d) the joint obtained at 1100℃图 1-4 Ni/ZrC 润湿界面分析[33]Fig. 1-4 The wetting interface of Ni/ZrC system[33]

【参考文献】