tial基合金奥氏体不锈钢钎焊工艺及接头特性的研究(附件)【字数：13497】
摘 要摘 要本文选用BNi-2钎料，对TiAl基合金与0Cr18Ni9不锈钢进行真空钎焊，焊后利用扫描电镜、超景深显微镜、显微硬度计等分析了钎焊保温时间和钎焊温度对接头组织与性能以及界面元素扩散的影响。研究结果表明接头的界面组织明显分为5个反应层。靠近TiAl基合金一侧含有锯齿状灰黑色相的反应层Ⅰ；与Ⅰ层相连的灰色反应层Ⅱ；含有条块状或点状的黑色相的反应层Ⅲ；焊缝中心层Ⅳ；不锈钢母材侧界面反应层Ⅴ。随着保温时间的延长，TiAl基侧各反应层厚度明显增加，反应层Ⅲ中的黑色化合物相的数量也增多，并且由细小状向粗大状转变；0Cr18Ni9不锈钢侧界面反应区的宽度随保温时间的延长而增大；随着保温时间的延长，钎缝间距呈现减小趋势。随着钎焊温度的升高，钎缝间距呈现先减小后增大的趋势；钎缝中心区的化合物随着钎焊温度的升高由网状向条状转变，最后只剩断续的块状；TiAl基侧各反应层的硬度值随着钎焊温度的升高而增加，焊缝中心处的硬度值随着钎焊温度的升高而下降，0Cr18Ni9侧界面反应区的硬度值也随着钎焊温度的升高而下降。关键词TiAl，0Cr18Ni9，BNi-2，钎焊温度，保温时间
目 录
第一章 绪论 1
1.1 TiAl基合金 1
1.1.1 TiAl基合金特点 1
1.1.2 TiAl基合金的应用 1
1.1.3 TiAl基合金的焊接工艺 1
1.2 不锈钢 2
1.2.1 不锈钢的发展 2
1.2.2 0Cr18Ni9钢 2
1.3 真空钎焊 3
1.3.1 真空钎焊的优缺点 3
1.3.2 真空钎焊钎料的选择 4
1.3.3 钎料与母材的相互作用 5
1.4 TiAl基合金与异种合金钎焊研究现状 5
1.5 本文的研究内容 7
第二章 实验材料、设备及方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.1.1 实验材料 8
2.1.2 实验设备 8
2.2 实验方案 9
2.2.1 试样焊前预处理 9
2.2.2 钎焊接头的设计 9
2.2.3 实验工艺参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
数 10
2.3 实验结果分析 12
2.3.1 显微组织分析 12
2.3.2 钎焊接头物相分析 12
2.3.3 显微硬度分析 12
第三章 保温时间对钎焊接头组织和性能的影响 13
3.1 引言 13
3.2钎焊接头的组织分析 13
3.3 钎焊接头金相分析 18
3.4 钎焊接头显微硬度分析 21
3.5 钎焊接头形成机理 22
3.6 本章小结 25
第四章 钎焊温度对钎焊接头组织和性能的影响 26
4.1 引言 26
4.2 钎焊接头的组织分析 26
4.3 钎焊接头的金相分析 29
4.4 钎焊接头显微硬度分析 32
4.5 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 TiAl基合金
1.1.1 TiAl基合金特点
TiAl基合金中金属键和共价键共存，兼有金属与陶瓷的性能，具有相对较低的密度、高比刚度、比强度以及优异的抗氧化性能和良好的高温力学性能。密度为3.85~4.2g/cm3；室温至800℃强度保持率达80%，室温弹性模量达170GPa，750℃下能保持150Gpa，不会发生钛火；700～800℃、100MPa下稳态蠕变速率＜5×109s1；700～800℃具有良好的抗氧化性；高温循环疲劳强度与室温屈服强度相当；导热系数为钛合金两倍；室温至800℃膨胀系数约为12×10－6℃1。TiAl基合金被视为一种具有广阔应用前景的新型轻质耐高温结构材料[1]。
1.1.2 TiAl基合金的应用
目前，国外在航空发动机领域已报道了10余种TiAl合金零部件，并且完成装机地面试验。用TiAl合金制作的航空发动机高压压气机叶片和低压涡轮叶片，能显著的减轻重量。美国GE公司研制的TiAl合金叶片，已经被用于波音787和7478飞机发动机并实现发动机减重达72.5kg。而且从2000年开始国外以锻造代替铸造制备了TiAl合金叶片，其力学性能比铸造叶片的更高，但这种工艺对设备要求高，制造成本高。TiAl合金在航空航天领域还可用于制造部分非受力或非转动的部件及壳体、翼、蒙皮等。此外，在汽车工业领域，日本率先采用高NbTiAl合金制作跑车上的增压涡轮，另外，诸如排气阀、连杆等耐高温部件都可能用到TiAl合金。随着TiAl合金制备加工技术的发展，其应用领域会不断扩大[2]。
1.1.3 TiAl基合金的焊接工艺
TiAl合金的实用化要求解决其连接问题，包括其自身的连接以及与其它结构材料连接的问题。TiAl合金的连接技术涉及到熔焊(如弧焊、激光焊及电子束焊等)和固态焊接(如钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成及摩擦焊等)。其中钎焊具有工艺可控性好、接头性能良好等优点，是颇具发展潜力的一种连接技术。TiAl基合金的钎焊多采用真空钎焊、红外钎焊、感应钎焊等方法，主要使用Ti基、Ag基等钎料。对TiAl合金的氩弧焊、电子束焊等熔焊方法的研究结果表明，熔焊方法可以对TiAl合金自身进行连接，但是熔焊的工艺性较差。TiAl合金的本质脆性使其很难获得完整的熔焊接头，如何稳定地获得完整的TiAl合金熔焊接头成为最初熔焊研究的重点。经过多年的研究，对于TiAl合金熔焊来说，已经可以获得完整无裂纹的接头，但所获接头易产生凝固裂纹，淬硬倾向较大，因而，力学性能普遍很差。与熔焊方法相比，固态连接方法热输入量小，焊接热循环过程控制相对容易，通过试验可以设计出符合TiAl合金性能特点的连接工艺参数，从而改善连接质量。连接方法包括钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成和摩擦焊。摩擦焊虽然可以实现TiAl合金自身以及与其它材料的连接，但接头形式受到限制，难以连接形状复杂的构件及中空内部焊缝。接头界面脆性相较多，接头强度分散性较大，而且由于扩散焊热循环时间长增加了成本，特别是扩散焊无法实现复杂形式接头的连接。钎焊方法在实现TiAl合金的连接从而促进实用化方面具有良好的前景[3]。
1.2 不锈钢
1.2.1 不锈钢的发展
不锈钢自发明以来，因为其良好的耐腐蚀性、良好的韧性及高强度等优越的性能被各行各业广泛认可。不锈钢在很多恶劣的环境下都不会产生锈蚀、变形等情况，被用来制造很多建筑构件，是建筑材料中性能最高的材料之一。不锈钢集众多优点于一身，用其制造的结构部件能长久的保持完整性，机械强度和延展性优越，符合很多工艺设计的需要。为了使不锈钢的性能更加优越，很多强化元素被加入不锈钢中。例如，在不锈钢中添加铬元素，当铬元素含量达到12％左右时，不锈钢的耐腐蚀性能将会得到大大的加强。除了铬元素以外，还有镍、钼、钛等多种合金元素被加入不锈钢中，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求[4]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 TiAl基合金 1
1.1.1 TiAl基合金特点 1
1.1.2 TiAl基合金的应用 1
1.1.3 TiAl基合金的焊接工艺 1
1.2 不锈钢 2
1.2.1 不锈钢的发展 2
1.2.2 0Cr18Ni9钢 2
1.3 真空钎焊 3
1.3.1 真空钎焊的优缺点 3
1.3.2 真空钎焊钎料的选择 4
1.3.3 钎料与母材的相互作用 5
1.4 TiAl基合金与异种合金钎焊研究现状 5
1.5 本文的研究内容 7
第二章 实验材料、设备及方法 8
2.1 实验材料与设备 8
2.1.1 实验材料 8
2.1.2 实验设备 8
2.2 实验方案 9
2.2.1 试样焊前预处理 9
2.2.2 钎焊接头的设计 9
2.2.3 实验工艺参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
数 10
2.3 实验结果分析 12
2.3.1 显微组织分析 12
2.3.2 钎焊接头物相分析 12
2.3.3 显微硬度分析 12
第三章 保温时间对钎焊接头组织和性能的影响 13
3.1 引言 13
3.2钎焊接头的组织分析 13
3.3 钎焊接头金相分析 18
3.4 钎焊接头显微硬度分析 21
3.5 钎焊接头形成机理 22
3.6 本章小结 25
第四章 钎焊温度对钎焊接头组织和性能的影响 26
4.1 引言 26
4.2 钎焊接头的组织分析 26
4.3 钎焊接头的金相分析 29
4.4 钎焊接头显微硬度分析 32
4.5 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 TiAl基合金
1.1.1 TiAl基合金特点
TiAl基合金中金属键和共价键共存，兼有金属与陶瓷的性能，具有相对较低的密度、高比刚度、比强度以及优异的抗氧化性能和良好的高温力学性能。密度为3.85~4.2g/cm3；室温至800℃强度保持率达80%，室温弹性模量达170GPa，750℃下能保持150Gpa，不会发生钛火；700～800℃、100MPa下稳态蠕变速率＜5×109s1；700～800℃具有良好的抗氧化性；高温循环疲劳强度与室温屈服强度相当；导热系数为钛合金两倍；室温至800℃膨胀系数约为12×10－6℃1。TiAl基合金被视为一种具有广阔应用前景的新型轻质耐高温结构材料[1]。
1.1.2 TiAl基合金的应用
目前，国外在航空发动机领域已报道了10余种TiAl合金零部件，并且完成装机地面试验。用TiAl合金制作的航空发动机高压压气机叶片和低压涡轮叶片，能显著的减轻重量。美国GE公司研制的TiAl合金叶片，已经被用于波音787和7478飞机发动机并实现发动机减重达72.5kg。而且从2000年开始国外以锻造代替铸造制备了TiAl合金叶片，其力学性能比铸造叶片的更高，但这种工艺对设备要求高，制造成本高。TiAl合金在航空航天领域还可用于制造部分非受力或非转动的部件及壳体、翼、蒙皮等。此外，在汽车工业领域，日本率先采用高NbTiAl合金制作跑车上的增压涡轮，另外，诸如排气阀、连杆等耐高温部件都可能用到TiAl合金。随着TiAl合金制备加工技术的发展，其应用领域会不断扩大[2]。
1.1.3 TiAl基合金的焊接工艺
TiAl合金的实用化要求解决其连接问题，包括其自身的连接以及与其它结构材料连接的问题。TiAl合金的连接技术涉及到熔焊(如弧焊、激光焊及电子束焊等)和固态焊接(如钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成及摩擦焊等)。其中钎焊具有工艺可控性好、接头性能良好等优点，是颇具发展潜力的一种连接技术。TiAl基合金的钎焊多采用真空钎焊、红外钎焊、感应钎焊等方法，主要使用Ti基、Ag基等钎料。对TiAl合金的氩弧焊、电子束焊等熔焊方法的研究结果表明，熔焊方法可以对TiAl合金自身进行连接，但是熔焊的工艺性较差。TiAl合金的本质脆性使其很难获得完整的熔焊接头，如何稳定地获得完整的TiAl合金熔焊接头成为最初熔焊研究的重点。经过多年的研究，对于TiAl合金熔焊来说，已经可以获得完整无裂纹的接头，但所获接头易产生凝固裂纹，淬硬倾向较大，因而，力学性能普遍很差。与熔焊方法相比，固态连接方法热输入量小，焊接热循环过程控制相对容易，通过试验可以设计出符合TiAl合金性能特点的连接工艺参数，从而改善连接质量。连接方法包括钎焊、扩散焊、自蔓延高温合成和摩擦焊。摩擦焊虽然可以实现TiAl合金自身以及与其它材料的连接，但接头形式受到限制，难以连接形状复杂的构件及中空内部焊缝。接头界面脆性相较多，接头强度分散性较大，而且由于扩散焊热循环时间长增加了成本，特别是扩散焊无法实现复杂形式接头的连接。钎焊方法在实现TiAl合金的连接从而促进实用化方面具有良好的前景[3]。
1.2 不锈钢
1.2.1 不锈钢的发展
不锈钢自发明以来，因为其良好的耐腐蚀性、良好的韧性及高强度等优越的性能被各行各业广泛认可。不锈钢在很多恶劣的环境下都不会产生锈蚀、变形等情况，被用来制造很多建筑构件，是建筑材料中性能最高的材料之一。不锈钢集众多优点于一身，用其制造的结构部件能长久的保持完整性，机械强度和延展性优越，符合很多工艺设计的需要。为了使不锈钢的性能更加优越，很多强化元素被加入不锈钢中。例如，在不锈钢中添加铬元素，当铬元素含量达到12％左右时，不锈钢的耐腐蚀性能将会得到大大的加强。除了铬元素以外，还有镍、钼、钛等多种合金元素被加入不锈钢中，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求[4]。
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