形成金属间化合物颗粒增强钎缝的钛铝基合金连接方法及其机理研究

依照颗粒增强的金属基复合材料的组织特征及力学性能特点，本研究将探索一种能够在钎缝的内部生成弥散分布的金属间化合物颗粒的TiAl基合金自身以及与其他结构材料的钎焊方法。拟采用含液化反应元素的钎料，利用在钎焊加热过程中钎料中的液化反应元素可以向TiAl基合金母材中扩散并依次与TiAl基合金中的r-TiAl、a2-Ti3Al发生作用产生液相，在浓度差别、温度差别、密度差别等共同作用下破碎初生的界面金属间化合物层并推向钎缝的内部，形成钎缝内弥散分布金属间化合物颗粒的复合钎缝组织，从而使接头获得较好的综合力学性能。这将是一种独特的连接方法，它也将对易形成脆性的界面金属间化合物层的其他同种及异种材料的钎焊提供一种新的思路及实用方法。

本项目采用试验研究和理论分析相结合的方法，对AgCuTi钎料真空钎焊TiAl合金与42CrMo钢的界面反应机理及界面反应层的成长行为进行了深入研究，阐明了TiAl合金在液态钎料中的溶解现象和规律，揭示了工艺参数与钎焊接头力学性能之间的关系，研究了接头综合力学性能。TiAl合金/AgCuTi/42CrMo钢钎焊接头界面组织分析表明，接头界面共有五种反应相生成，分别是：AlCuTi、Ti3Al、AlCu2Ti、Ag[s,s]和TiC。典型的接头界面组织可以分为三个反应区。工艺试验表明，工艺参数对界面反应产物的种类和形态以及界面结构有直接影响。随着钎焊工艺参数的提高，TiAl合金母材侧的Al-Cu-Ti三元系金属间化合物层厚度逐渐增大；钎缝中部的Ag[s,s]所占比例逐渐减小；TiC反应层厚度逐渐增大。TiAl合金/AgCuTi/42CrMo钢钎焊接头基本力学性能以及断裂位置的研究表明，钎焊工艺参数对接头力学性能的影响存在优化取值，当钎焊温度为1173K、保温时间为300s时，钎焊接头室温力学性能最高，室温拉伸强度、剪切强度分别为347MPa和229MPa。基于固态金属/液态钎料界面的原子扩散行为，建立了固态母材向液态钎料中溶解量的数学模型，针对溶解量的数学模型存在的缺点建立了母材溶解厚度的数学模型。将母材溶解厚度的数学模型应用到TiAl合金/AgCuTi/42CrMo钢的钎焊过程中，采用非线性拟合的方法确定了TiAl合金在钎料中的极限溶解度和溶解速度常数，从而得到TiAl合金溶解厚度的数学公式。试验结果验证表明，溶解厚度数学模型具有较高的准确性，能够用于研究高温钎焊条件下母材的溶解厚度、溶解特性及评价钎料对母材的溶蚀性，这对于TiAl合金钎焊接头的实用化有着重要意义。基于金属与钎料接头界面反应产物层随保温时间的成长行为，建立了采用AgCuTi钎料钎焊TiAl合金与42CrMo钢接头界面反应层，包括Ti3Al+AlCuTi反应层、AlCu2Ti反应层以及TiC反应层成长的动力学方程，并确定了反应层成长的动力学参数，为研究反应层的成长行为预测接头形态奠定了理论基础。