SiBCN陶瓷与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究

发布时间：2017-12-19 18:37

  本文关键词：SiBCN陶瓷与TC4钛合金的钎焊工艺及机理研究　出处：《哈尔滨工业大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：SiBCN陶瓷是一种新型的耐高温结构材料,具有优异的抗氧化,抗疲劳性能。其与TC4钛合金的可靠连接可用作火箭发动机喷管中的结构部件,具有重要的应用价值。SiBCN陶瓷与TC4钛合金钎焊时,异种材料之间显著的物化性质差异易在钎焊接头中形成过大的残余应力,影响接头力学性能。本文从调节接头热膨胀系数角度出发,采用激光熔覆方法在TC4钛合金基体上设计制备陶瓷相体积分数梯度熔覆层,并将其作为中间层,实现SiBCN陶瓷与TC4钛合金之间的高质量钎焊。采用送粉式激光熔覆方法,在TC4钛合金表面首先制备TiB2熔覆层,继而在其上二次熔覆制备SiC熔覆层。探究激光功率、扫描速度及送粉速度对于首层TiB2熔覆层及次层SiC熔覆层的宏观形貌及颗粒分布的影响规律。研究表明,激光功率及激光扫描速度通过改变线能量一方面,控制熔池的熔深和熔宽,决定激光熔覆层的宽度、厚度及宏观形貌;另一方面,控制熔池的温度场,进而控制熔池内界面反应程度及反应物的消耗,影响颗粒分布。送粉速度通过陶瓷颗粒的送入量与线能量的匹配,改变熔池内颗粒含量及反应程度,影响熔覆层宏观形貌及颗粒分布情况。最优工艺下制备的激光熔覆层内陶瓷相体积分数梯度过渡,熔覆层表面平整,内部界面连续无明显缺陷,熔覆层显微硬度较TC4基体增大70%以上。实现激光熔覆法制备梯度熔覆层后,将其作为钎焊中间层,配合AgCuTi钎料实现了SiBCN陶瓷与TC4钛合金的可靠连接。接头典型界面结构为:SiBCN/TiC+TiB/TiN/Ti_5Si_3/Ag(s,s)+Cu(s,s)+Cu_2Ti/CuxTiy+Ti_5Si_3/CuxTiy+TimSin+TiC+SiC/TC4+Ti C+SiC+Ti_5Si_3/TC4+TiB_2/TC4+TiB/TC4。研究了钎焊温度及保温时间对界面组织及力学性能的影响规律。研究表明,钎焊温度及保温时间通过改变原子扩散及界面反应程度,影响接头界面结构及力学性能。当钎焊温度为850℃,保温时间为5min时,接头达到最大抗剪强度38MPa,比无梯度中间层直接钎焊时强度提升5倍。通过热力学计算阐明界面演化机制大致包括溶解扩散,两侧界面反应,扩散原子反应与组织均匀化,冷却凝固四个阶段。利用现有模型对接头残余应力数值进行理论计算,发现梯度中间层的引入实现了残余应力的逐层缓解,陶瓷侧应力峰值降低,接头断裂形式由沿陶瓷母材弓形断裂转变为自陶瓷边缘向钎缝的复合型断裂。通过有限元模拟方法,进一步探究残余应力分布情况,验证中间层对残余应力对陶瓷侧应力峰值的逐层缓解作用,从而实现了接头强化。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG454
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本文编号：1309023