【摘要】：當前姿控發(fā)動機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注。ZrC-SiC陶瓷是一種新型的超高溫復相陶瓷,ZrC與SiC相的復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。在噴管結構的使用中,需要將噴管與TC4鈦合金過渡環(huán)進行連接。本文采用釬焊方法對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進行連接。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;陶瓷與金屬熱膨脹系數差異會在接頭中產生殘余應力,惡化接頭性能。針對上述問題,本文采用含Ti活性釬料對二者進行連接,對釬料成分及釬焊工藝參數進行優(yōu)化,獲得高質量釬焊接頭,并揭示釬焊界面反應機理。設計激光熔覆梯度層緩解接頭殘余應力,解明梯度層對接頭的增強機制。采用AgCuTi釬料對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進行釬焊,以分析該焊接體系焊接性。Ti元素與ZrC-SiC陶瓷的反應是實現陶瓷連接的關鍵,而焊縫中塑性較強組織的生成有利于獲得高強度接頭。為了提高接頭的高溫性能,采用TiCuNi對ZrC-SiC陶瓷與TC4鈦合金進行釬焊,釬焊過程中釬料與ZrC-SiC陶瓷反應生成TiC反應層,從而實現對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,殘余應力是接頭斷裂的重要原因。對釬料中Ti元素活度進行了計算,通過固液界面處Ti元素化學勢的對比,分析了界面反應機理。釬料中Ti元素化學勢高于TiC反應層中Ti化學勢,TiC向釬料中釋放C原子,為TiC反應層的生長提供C源。總結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陶瓷反應生成TiC與少量(Ti,Zr)_5Si_3混合的反應層,與此同時,TC4鈦合金的溶解使釬料近TC4鈦合金側發(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,生成亞共晶組織;第三階段,當溫度降低到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力及剪切試驗過程中接頭的應力分布進行了數值模擬,用以設計梯度層結構緩解接頭殘余應力。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陶瓷內產生平行于焊縫方向的壓應力;而在ZrC-SiC陶瓷邊界處產生垂直于焊縫方向的拉應力。梯度層的添加使ZrC-SiC陶瓷各向應力均降低,ZrC-SiC陶瓷棱邊處最大主應力峰值從564MPa降低至452MPa。在剪切過程中,殘余應力與剪切載荷產生應力的疊加在靠近焊縫ZrC-SiC陶瓷棱邊處產生應力集中,導致接頭斷裂。根據ZrC-SiC/TC4接頭模型推測ZrC-SiC陶瓷斷裂應力接近648MPa,計算得到梯度層添加會使接頭強度從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)增強的梯度材料。通過優(yōu)化工藝參數,獲得了SiC_p體積分數分別為20%與39%的梯度材料。對梯度材料中SiC_p增強相與TC4鈦合金基體的界面反應進行了研究。SiC_p與液相接觸時分解為Si與C原子,Si、C進入熔池與Ti發(fā)生反應生成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陶瓷進行釬焊,分析典型接頭界面結構。探討釬焊工藝參數對接頭界面結構與力學性能的影響規(guī)律。工藝參數主要通過影響接頭中Ti_2(Ni,Cu)的厚度與釬料-梯度層界面反應進而控制接頭力學性能。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陶瓷側反應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體積分數對接頭強度的影響。當釬焊溫度為970℃,保溫時間10min時,接頭最高抗剪強度為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力,近焊縫ZrC-SiC陶瓷母材上為壓應力狀態(tài),TC4鈦合金中主要為拉應力狀態(tài)。梯度層的添加使ZrC-SiC陶瓷壓應力峰值由499MPa下降至444MPa。II層熔覆層厚度的增大及其中SiC_p體積分數的增大均會使接頭殘余應力下降。殘余應力變化趨勢與接頭剪切強度變化規(guī)律吻合。此外,梯度層添加后焊縫中ZrC-SiC陶瓷側Ti_2(Ni,Cu)層厚度變小,同樣有利于接頭殘余應力的降低。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG454
【圖文】：

前世界局勢風云變幻，構建強大的國防力量對維護國土安全、人要。因此，近年來國家重點發(fā)展航空航天技術，并且取得了很大的器制備過程中，姿控發(fā)動機是控制飛行器精確飛行的關鍵。為了的姿控發(fā)動機，開發(fā)新型耐高溫抗燒蝕的噴管材料逐漸得到研究。當前應用較為廣泛的噴管材料為 C/SiC 復合材料[3-5]及 C/C 復合材C/SiC 復合材料中 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漏火等現象，降低噴管結構的推發(fā) C/SiC 與 C/C 復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注[9-14]。ZrC 陶瓷是典型的料，當向其中添加 SiC 增強相時，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。在實際的噴管結要與金屬過渡環(huán)進行連接，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 ZrCTC4 鈦合金的連接對于制備耐高溫、大推進力的噴管結構具有重要

圖 1-2 純 Ni 擴散連接 ZrC-SiC 陶瓷界面反應生成物[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，體系達到平衡，接觸角為 32°，即 Ni 熔體在 ZrC 陶瓷表面實現了良好的潤濕。作者對潤濕界面處液態(tài)釬料對 ZrC 陶瓷的溶蝕現象進行了分析，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】

相關期刊論文 前5條

1 林鑫;黃衛(wèi)東;;高性能金屬構件的激光增材制造[J];中國科學:信息科學;2015年09期

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

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相關博士學位論文 前2條

1 宋昌寶;ZrC-SiC陶瓷與Nb瞬時液相擴散連接工藝及界面反應機理[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

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相關碩士學位論文 前1條

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本文編號：2790661