【摘要】：當(dāng)前姿控發(fā)動機(jī)噴管材料耐熱溫度較低,極大限制了噴管在高溫環(huán)境中的服役。近年來,開發(fā)超高溫陶瓷材料作為新一代噴管材料得到了研究者的廣泛關(guān)注。ZrC-SiC陶瓷是一種新型的超高溫復(fù)相陶瓷,ZrC與SiC相的復(fù)合使用使其具有極高的耐熱溫度及抗氧化性,具有在高溫環(huán)境中服役的潛力。在噴管結(jié)構(gòu)的使用中,需要將噴管與TC4鈦合金過渡環(huán)進(jìn)行連接。本文采用釬焊方法對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進(jìn)行連接。在陶瓷-金屬釬焊體系中,陶瓷表面惰性高、難以與常規(guī)金屬釬料發(fā)生反應(yīng);陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)差異會在接頭中產(chǎn)生殘余應(yīng)力,惡化接頭性能。針對上述問題,本文采用含Ti活性釬料對二者進(jìn)行連接,對釬料成分及釬焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得高質(zhì)量釬焊接頭,并揭示釬焊界面反應(yīng)機(jī)理。設(shè)計激光熔覆梯度層緩解接頭殘余應(yīng)力,解明梯度層對接頭的增強(qiáng)機(jī)制。采用AgCuTi釬料對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進(jìn)行釬焊,以分析該焊接體系焊接性。Ti元素與ZrC-SiC陶瓷的反應(yīng)是實現(xiàn)陶瓷連接的關(guān)鍵,而焊縫中塑性較強(qiáng)組織的生成有利于獲得高強(qiáng)度接頭。為了提高接頭的高溫性能,采用TiCuNi對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進(jìn)行釬焊,釬焊過程中釬料與ZrC-SiC陶瓷反應(yīng)生成TiC反應(yīng)層,從而實現(xiàn)對ZrC-SiC陶瓷的連接。與此同時,焊縫中形成IMCs區(qū)域、亞共晶組織區(qū)域及過共析組織區(qū)域。釬料中Ti含量為70wt.%,釬焊溫度為970℃,保溫時間為10min時,接頭最高抗剪強(qiáng)度為43MPa。此時接頭斷裂位于靠近焊縫的ZrC-SiC陶瓷母材上,殘余應(yīng)力是接頭斷裂的重要原因。對釬料中Ti元素活度進(jìn)行了計算,通過固液界面處Ti元素化學(xué)勢的對比,分析了界面反應(yīng)機(jī)理。釬料中Ti元素化學(xué)勢高于TiC反應(yīng)層中Ti化學(xué)勢,TiC向釬料中釋放C原子,為TiC反應(yīng)層的生長提供C源�？偨Y(jié)了釬焊接頭形成過程包括四個階段,第一階段,釬料熔化后與ZrC-SiC陶瓷反應(yīng)生成TiC與少量(Ti,Zr)_5Si_3混合的反應(yīng)層,與此同時,TC4鈦合金的溶解使釬料近TC4鈦合金側(cè)發(fā)生等溫凝固;第二階段,在釬焊的降溫過程中,焊縫中間位置處液態(tài)釬料發(fā)生亞共晶反應(yīng),生成亞共晶組織;第三階段,當(dāng)溫度降低到900℃附近時,靠近ZrC-SiC陶瓷處釬料凝固生成IMCs區(qū)域;第四階段,繼續(xù)冷卻過程中,釬料等溫凝固區(qū)域發(fā)生過共析轉(zhuǎn)變,形成過共析組織區(qū)域。對釬焊冷卻過程中接頭的殘余應(yīng)力及剪切試驗過程中接頭的應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,用以設(shè)計梯度層結(jié)構(gòu)緩解接頭殘余應(yīng)力。釬焊過程中,ZrC-SiC陶瓷、釬縫組織、梯度層及TC4鈦合金熱膨脹系數(shù)差異較大,使冷卻過程中的收縮變形量差異較大,在約束作用下ZrC-SiC陶瓷內(nèi)產(chǎn)生平行于焊縫方向的壓應(yīng)力;而在ZrC-SiC陶瓷邊界處產(chǎn)生垂直于焊縫方向的拉應(yīng)力。梯度層的添加使ZrC-SiC陶瓷各向應(yīng)力均降低,ZrC-SiC陶瓷棱邊處最大主應(yīng)力峰值從564MPa降低至452MPa。在剪切過程中,殘余應(yīng)力與剪切載荷產(chǎn)生應(yīng)力的疊加在靠近焊縫ZrC-SiC陶瓷棱邊處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致接頭斷裂。根據(jù)ZrC-SiC/TC4接頭模型推測ZrC-SiC陶瓷斷裂應(yīng)力接近648MPa,計算得到梯度層添加會使接頭強(qiáng)度從43MPa提高至81MPa。采用激光熔覆方法在TC4鈦合金表面制備雙層SiC顆粒(SiC_p)增強(qiáng)的梯度材料。通過優(yōu)化工藝參數(shù),獲得了SiC_p體積分?jǐn)?shù)分別為20%與39%的梯度材料。對梯度材料中SiC_p增強(qiáng)相與TC4鈦合金基體的界面反應(yīng)進(jìn)行了研究。SiC_p與液相接觸時分解為Si與C原子,Si、C進(jìn)入熔池與Ti發(fā)生反應(yīng)生成TiC與Ti_5Si_3。TiC與Ti_5Si_3的存在使梯度材料中的TC4鈦合金基體硬度升高。從TC4鈦合金母材到梯度熔覆層,TC4鈦合金基體的顯微硬度分別約為400HV,600HV與800HV。采用TiCuNi釬料對表面熔覆梯度層的TC4鈦合金(TC4-FGM)與ZrC-SiC陶瓷進(jìn)行釬焊,分析典型接頭界面結(jié)構(gòu)。探討釬焊工藝參數(shù)對接頭界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響規(guī)律。工藝參數(shù)主要通過影響接頭中Ti_2(Ni,Cu)的厚度與釬料-梯度層界面反應(yīng)進(jìn)而控制接頭力學(xué)性能。對比了梯度層添加前后釬縫組織的改變,梯度層的添加主要影響ZrC-SiC陶瓷側(cè)反應(yīng)層的厚度與焊縫中過共析組織的生成。研究了II層熔覆層厚度及其中SiC_p體積分?jǐn)?shù)對接頭強(qiáng)度的影響。當(dāng)釬焊溫度為970℃,保溫時間10min時,接頭最高抗剪強(qiáng)度為91MPa,相比直接釬焊接頭提高110%。采用彈性模型計算接頭殘余應(yīng)力,近焊縫ZrC-SiC陶瓷母材上為壓應(yīng)力狀態(tài),TC4鈦合金中主要為拉應(yīng)力狀態(tài)。梯度層的添加使ZrC-SiC陶瓷壓應(yīng)力峰值由499MPa下降至444MPa。II層熔覆層厚度的增大及其中SiC_p體積分?jǐn)?shù)的增大均會使接頭殘余應(yīng)力下降。殘余應(yīng)力變化趨勢與接頭剪切強(qiáng)度變化規(guī)律吻合。此外,梯度層添加后焊縫中ZrC-SiC陶瓷側(cè)Ti_2(Ni,Cu)層厚度變小,同樣有利于接頭殘余應(yīng)力的降低。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG454
【圖文】：

前世界局勢風(fēng)云變幻，構(gòu)建強(qiáng)大的國防力量對維護(hù)國土安全、人要。因此，近年來國家重點發(fā)展航空航天技術(shù)，并且取得了很大的器制備過程中，姿控發(fā)動機(jī)是控制飛行器精確飛行的關(guān)鍵。為了的姿控發(fā)動機(jī)，開發(fā)新型耐高溫抗燒蝕的噴管材料逐漸得到研究。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的噴管材料為 C/SiC 復(fù)合材料[3-5]及 C/C 復(fù)合材C/SiC 復(fù)合材料中 SiC 基體使該材料可靠使用溫度在 1650℃以下，度下使用；C/C 復(fù)合材料由碳纖維穿刺編織制備得到，材料中存孔隙，會使噴管服役過程中出現(xiàn)漏火等現(xiàn)象，降低噴管結(jié)構(gòu)的推發(fā) C/SiC 與 C/C 復(fù)合材料的替代材料亟待解決。超高溫陶瓷因為燒蝕及良好的高溫性能得到了廣泛的關(guān)注[9-14]。ZrC 陶瓷是典型的料，當(dāng)向其中添加 SiC 增強(qiáng)相時，會提高陶瓷材料的抗氧化性及8]。因此，ZrC-SiC 陶瓷可以作為下一代噴管材料。在實際的噴管結(jié)要與金屬過渡環(huán)進(jìn)行連接，如圖 1-1。常用的過渡環(huán)材料為 Nb 。其中 TC4 鈦合金具有密度低、成本低的優(yōu)點。因此，實現(xiàn) ZrCTC4 鈦合金的連接對于制備耐高溫、大推進(jìn)力的噴管結(jié)構(gòu)具有重要

圖 1-2 純 Ni 擴(kuò)散連接 ZrC-SiC 陶瓷界面反應(yīng)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 條件下純金屬 Ni 在 ZrC 陶瓷表面的潤濕行為。首先對其鋪展過程進(jìn)行了分析，初始條件下，Ni 在 ZrC 陶瓷表面的表觀接觸角約為 73°，隨后熔體鋪展，接觸角逐漸降低，在 325s 時，體系達(dá)到平衡，接觸角為 32°，即 Ni 熔體在 ZrC 陶瓷表面實現(xiàn)了良好的潤濕。作者對潤濕界面處液態(tài)釬料對 ZrC 陶瓷的溶蝕現(xiàn)象進(jìn)行了分析，如圖 1-4 所示。在 ZrC 邊界位置

圖 1-3 連接溫度對接頭界面組織的影響[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℃圖 1-4 Ni/ZrC 潤濕界面分析[33]Fig. 1-4 The wetting interface of Ni/ZrC system[33]

【參考文獻(xiàn)】

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2 田宗軍;顧冬冬;沈理達(dá);謝德巧;王東生;;激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J];航空制造技術(shù);2015年11期

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本文編號：2790661