γ-TiAl合金钎焊用钎料设计及接头组织研究

γ-TiAl合金是一种极具应用潜力的金属间化合物材料,采用所设计的Ti-15.6Zr-11.0Cu-9.8Ni(质量分数,%)钎料对其进行钎焊,分析接头组织形貌及元素分布,测试接头微区的显微硬度及接头强度,得出Al元素向界面发生扩散成为界面形成的主要驱动力;钎料元素Zr、Cu和Ni主要集中在近邻界面中心的部位。归因于晶粒组织粗大及硬度较高的网格状组织,钎焊断裂发生在界面中心部位。尽管界面靠近基体一侧出现了连续的Ti3Al相,但其塑性较好且硬度适中,因此有利于基体与界面之间力的传递和接头韧性。对接接头抗拉强度在室温下达到517 MPa,强度系数0.816。

Ti_3Al基合金TLP扩散连接界面的组织演变

以Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)非晶箔带为中间层,研究了TLP扩散连接Ti-23Al-17Nb(质量分数,%)合金的界面组织演变过程.结果表明,Ti元素和Nb元素向中间层扩散而Ni,Cu和Zr元素向母材扩散驱动了界面组织演变;在扩散初始阶段即930℃,保温5 min时,界面已形成冶金结合;随保温时间延长至15 min,界面析出条形TiNi3(Cu,Zr)化合物,其随保温时间延长更加细小呈弥散分布;直至保温时间延长至120～200 min,界面组织转变为均一、粗大的针状魏氏组织.保温时间是影响TiNi3(Cu,Zr)化合物析出形态和分布的主要因素,控制保温时间可有效改变界面化合物状态,该方法是优化此类界面组织以提高接头强度的有效途径.

Al-Cu合金GP区的价电子结构与界面能

考虑温度对点阵常数的影响,运用固体经验电子理论,在实验时效温度区间,对Al-Cu合金GP区的价电子结构进行计算,并在此基础上计算了GP区与基体间的界面能。计算得到的价电子成键结果表明,Al原子和Cu原子之间的结合倾向最大,在时效过程中,Al和Cu原子容易以GP区形式出现;GP区有较强的共价键络,是Al-Cu合金时效硬化的重要原因;GP区与基体间的共格界面能较低,是GP区生长的有利条件。

钛合金蜂窝夹层结构钎焊界面的价电子结构分析

对TC1钛合金蜂窝夹层结构试件的钎焊界面组织进行观察、分析确定界面生成相的晶体结构,采用EET理论中BLD方法和平均原子模型,计算分析了钎焊界面价电子结构.从原子间结合力的角度分析了钛合金蜂窝夹层结构钎焊界面的价电子结构,探讨了界面结构与力学性能的本质关系.钎焊过程中界面处生成了六方晶体结构TiNi3(Cu,Zr)化合物和体心立方结构Ti(Ni,Zr,Cu)相.从原子间成键角度,最大共价电子数和晶格电子数分别反映了晶体的强度和塑性.TiNi3(Cu,Zr)化合物和Ti(Ni,Zr,Cu)相的最大共价电子数分别为0.055 8和0.303 7,晶格电子分别为0.993 5和1.392 8,而界面处基体的最大共价电子数和晶格电子数分别为0.305 9和1.397 3.因此,与TiNi3(Cu,Zr)化合物相比,Ti(Ni,Zr,Cu)和钛固溶体晶胞不仅具有较高的强度,还具有相对良好的塑性,而TiNi3(Cu,Zr)化合物相的存在和连续分布不利于钎焊界面的强度和塑性.

喷丸处理对TiAl合金拉伸性能的影响

采用氧化锆颗粒在不同喷射压强下对成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(%,原子分数)的铸造TiAl合金进行喷丸处理实验,分析试样表面状态变化及其对室温拉伸性能的影响,结果表明,喷丸处理增加了表面粗糙度,改变了试样的表面形貌,使表面损伤痕迹的大小和方向均发生变化,且在试样的表面形成残余压应力,这些表面性质的改变程度均随喷射压强的提高而增大;喷丸试样的抗拉强度因表面压应力的存在而有所提高,但由于表面损伤和表面压应力的综合作用,其室温拉伸塑性在1×105Pa喷射压强下增加,而在2×105Pa和2.5×105Pa的喷射压强下回落到原拉伸塑性水平。

几何参数对钛合金蜂窝夹层结构比强度的影响

试验研究了钛合金蜂窝夹层结构的几何参数(蜂窝芯格内切圆直径D和胞壁厚度t)对密度和拉脱强度的影响.芯格内切圆直径较大且胞壁厚度较薄时,焊接界面易于产生组织状态差异较大、组织状态不连续的现象,即魏氏体组织、网篮组织和双态组织并存,严重影响界面强度.当D=11.2 mm时,试件抗拉强度可表示为R m=118.8t胞壁厚度-3.44;当D=6.4 mm时,试件抗拉强度可表示为R m=262.8t胞壁厚度-5.94.试验中比强度较高且密度较低的蜂窝芯规格为TC1-4.8-0.05-15.密度、强度与几何参数之间的定量关系可用于对蜂窝夹层试件的比强度进行估测,为工程用钛合金蜂窝夹层结构的几何参数优选提供参考.

TC1钛合金蜂窝夹层结构的钎焊工艺研究与分析

研究了TC1钛合金蜂窝夹层结构试件的钎焊工艺,通过对系列工艺下钎焊界面组织进行观察得出,在930℃/保温15min和一定钎料添加量的条件下,界面析出了TiNi2(Cu,Zr)化合物,且尺寸细小、分布弥散,因而相应钎焊试件的室温拉脱强度平均值较高,可达17MPa。在钎焊过程中,Cu和Ni元素由钎料向母材扩散,使母材β相变温度降低,导致界面魏氏体组织的产生;芯体波纹带间受钎料熔化热影响较大,导致此处魏氏体组织粗大,成为试件的薄弱部位。

TiAl合金的钎焊技术研究

γ-TiAl合金作为结构材料可以减轻发动机构件重量,有希望被广泛应用于航空、航天、汽车制造等领域。随着工业制造领域中发动机和飞机结构设计对“减轻重量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高,将γ-TiAl合金与钢、高温合金焊接形成复合结构的需求越来越迫切。本研究综述了钎焊方法下钛铝合金用焊料、工艺和接头性能,并提出在本领域有关γ-TiAl合金专用焊料设计方法、界面组织调控以及接头性能综合评价等方面上缺乏系统工作。

Al-Ag合金η型GP区的强化作用和界面能分析

考虑温度对晶格常数的影响,运用固体与分子经验电子理论,对Al-Ag合金的η型GP区的价电子结构进行计算;在此基础上,运用Becker推广模型,对该体系的η型GP区与基体之间的界面能进行预测。从计算得到的各种价电子成键结果中发现,η型GP区的Ag-Ag原子之间的结合倾向最大,表明时效过程中,Ag原子容易以η型GP区的形式出现偏聚;与原合金的均相过饱和固溶体相比,η型GP区有较强的共价键络,是Al-Ag合金时效硬化的重要原因;η型GP区与基体的共格界面能较基体晶粒间的界面能低,是η型GP区形成和生长的有利条件,同时计算结果体现了温度对界面能的影响。

先进航空材料和复杂构件的钎焊技术

钎焊技术作为特种连接技术的一种,在制造复杂精密结构和新型耐温材料的连接方面上具有独特优势,开展陶瓷材料、金属间化合物材料以及新型高温合金等材料及构件的钎焊技术研究将是航空领域钎焊技术的主要发展方向。

芯体缺失对钛合金蜂窝夹层结构强度的影响及规律研究

针对钛合金蜂窝壁板结构在研制中出现的典型缺陷即芯体缺失，研究芯体缺失比例对试件拉脱强度、剪切模量和剪切强度、平面压缩和侧面压缩强度的影响及规律。随着芯体缺失比例增加，试件剩余强度逐渐减小；相比拉脱强度和剪切强度，芯体缺失缺陷对试件压缩强度的影响程度较大。相比无缺陷试件，归因于应力集中对材料的强化作用，缺陷试件强度先相对增加而后降低，即当芯体缺失比例由10％、15％、20％、30％至50％依次增大时，试件剩余拉脱强度分别为原始强度的111％、80％、60％、51％和58％。当芯体缺失比例在4％～7％时，试件剩余剪切强度为原始剪切强度的99．6％。当芯体缺失比例为10％时，试件平压和侧压强度分别下降至原始强度的71％和87％。研究结果为试件损伤容限的设计积累基础数据和提供参考。

Zr元素含量对钛基钎料合金固溶强化的影响

利用EET理论分析Zr元素对钛基钎料合金的固溶强化效果,得出锆含量自45%~12%变化时,Ti-Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)钎料合金晶胞内最大共价电子数先保持不变、而后减小再增大.当锆含量为37.5%时,Zr元素对钛基钎料合金的固溶强化作用相对较大,采用此锆含量的钎料合金Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni(质量分数,%)对Ti3Al-Nb合金进行同质过渡液相扩散连接.在连接温度低于1 000℃条件下,钎料合金的扩散能力主要受保温时间的影响;在较高连接温度下,钎料合金的扩散能力明显提高,可在短时保温条件下形成组织均匀、无析出物的连接界面.

Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni合金热处理工艺研究

研究了热处理制度对Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni(at,%)挤压TiAl合金棒材组织的影响。结果表明,合金在1320～1370℃保温有β相在α晶界析出。在实验温度范围内,随保温温度的升高,β相的含量有所增加,对α相的钉扎作用也随之增大,其中在1350℃时β相对α晶粒具有最大的钉扎力。合金在1350℃的保温过程中,随时间的延长,β相含量变化不大但尺寸有所长大。通过对合金进行1350℃×15 min空冷的热处理,获得了均匀、细小的层片组织。

扩散钎焊钛合金多层板的界面强度研究和断口分析

以TC4钛合金为研究对象,采用扩散钎焊方法制备钛合金多层板,对多层板的界面组织、连接强度及失效断口形貌等进行测试分析,以供钛合金薄板的连接提供技术参考。研究证明:扩散钎焊界面为针状魏氏体组织,界面无化合物形成;室温下界面强度达到母材强度的94%,350℃下界面平均强度为690 MPa,延伸率在11%以上;界面魏氏体组织成为裂纹扩展速率增大和界面失效的主要因素。

不同机加工表面状态TiAl合金的室温塑性

采用磨削和抛光作为最后工序制备了铸造TiAl合金的标准拉伸试样,对比分析了两种试样的表面质量和表面残余应力,并进行了室温拉伸试验。结果表明:经磨削和抛光后TiAl合金表面的显微组织与其铸态的相同,均为近层片状组织;抛光使试样表面粗糙度由磨削后的0.51μm降至0.22μm,磨痕数量减少,磨痕由锐角变为钝角;两种试样表面均为残余压应力状态,但抛光表面的残余压应力较高;抛光后试样的室温伸长率明显提高,由磨削后的1.33%增至2.33%。

Ti-22Al-25Nb合金板材的钎焊工艺

采用试验手段研究了Ti-22Al-25Nb合金板材的钎焊工艺.结果表明,当钎焊温度为960℃时,Ti_2Al Nb合金板材组织中短棒状O相组织发生少量溶解、块状O相组织的晶粒尺寸普遍增大,基体晶粒略粗化,但未出现相转变;随保温时间由15,30和60 min逐渐延长,Ti2Al Nb合金板材室温强度由1 257 MPa减少到1 000-1 100 MPa,但塑性不断提高,室温断后伸长率平均值由2.9%依次提高至3.4%,5.8%及5.0%.确定出Ti_2Al Nb合金板材的钎焊工艺参数为960℃/30 min/炉冷,此时相应接头抗剪强度较高,可达152 MPa.

异质钛合金蜂窝结构钎焊工艺研究

针对钛合金薄壁结构的钎焊制造技术,通过研究在钎料作用和不同钎焊温度下基体材料的微观组织、相变点、刚度和屈服强度的变化发现,钎料元素扩散导致TC1材料相变点降低,在875℃发生α＋β→β相转变,而TC4钛合金直至905℃尚未发生α＋β→β相转变。在875℃下,随着保温时间延长,TC4材料的晶粒尺寸有所长大,导致刚度和屈服强度明显下降。当钎焊温度为875℃,保温时间不大于60min时,TC4钛合金板材的刚度和屈服强度不低于原始材料的86%。确定出TC4/TC1钛合金异质钎焊工艺范围为865~875℃、保温30~60min。研究结果为钛合金蜂窝结构的钎焊制造技术提供理论依据和参考。

挤压开坯γ-TiAl合金的热变形行为研究

采用Gleeble-1500试验机对经过挤压比为12开坯后的γ-Ti Al合金在温度为900~1100℃、应变速率为0.01~1s-1、变形量为70%等温恒应变速率下的热变形行为进行了研究,获得了变形条件范围内的流变应力数据,并利用Ze-ner-Hollomn参数和Arrhenius方程得出γ-Ti Al合金的本构方程。结果表明：γ-Ti Al合金在900℃,应变速率为1s-1和0.1s-1的条件下新生动态再结晶晶粒较少,并且动态再结晶发生的热力学条件比一般高温合金更加苛刻。所获得的流变应力方程为σ=48.1（lnε.＋413.53×103/RT-28.37）;其热变形激活能Q=413.53kJ/mol,为科学设计和有效控制γ-Ti Al合金的锻造工艺提供了理论依据。

新型航空材料及其结构的扩散焊

北京航空制造工程研究所扩散焊专业一直以来主要致力于新型航空材料的扩散焊技术研究,并在航空新结构的研制方面积累了丰富的经验。

Ti_2AlNb合金的钎焊试验研究

采用箔带状Ti-15Cu-15Ni钎料合金对Ti2Al Nb合金开展钎焊试验研究。随着钎焊温度的升高,钎料合金在基体材料上的润湿角逐渐减小,直至965℃完全润湿基体材料。当钎焊工艺为975℃/10min时,钎焊接头室温抗拉强度可达855MPa,达到基体强度的80%。钎焊界面为冶金结合界面,未见焊接缺陷,界面中心存在10μm宽的钎料元素富集区。该工艺条件下,Ti2Al Nb合金的室温拉伸断口为脆性解理断口,钎料元素富集区处产生了大量的二次裂纹。研究结果为Ti2Al Nb合金钎焊构件的制造技术提供了理论基础。