Ti2AlNb与镍基高温合金纳米叠层扩散连接过程及机理

Ti2AlNb alloys could be served at 700℃ for long term. They are one of the most promising structural materials with potential applications in aero-engines. Replacing nickel-based superalloys using them could reduce the weight of aero-engines consequently. In some application fields, the joining problem between Ti2AlNb alloy and nickel-based superalloy must be solved. In this project, the nano-laminated materials with two components are used interlayer to realize the high active diffusion bonding between Ti2AlNb alloy and nickel-based superalloy. .It is an important scientific issue that how to take advantage of the high chemical activity and strong diffusion ability of nanomaterials, explore the reaction behaviours of nano-diffusion bonding different from the common diffusion bonding and reveal the bonding mechanism. Hence, it is necessary to carry out the following research: the study to the microstructure characteristic and joining mechanism of nano-diffusion bonded Ti2AlNb/nickel-based superalloy joint; microstructure evolution law of nano-diffusion bonded joint; the analysis of joint mechanical properties and fracture mechanism. On the basis of above, the nano laminated materials and bonding process will be optimized, and the comprehensive mechanical properties of joint will be evaluated at room and high temperatures. .The project will explore the special phenomenons and new laws in the nano-diffusion bonding. The research results are of importance to solve the joining problems of the materials which are difficult to join. The project is theoretically valuable.

Ti2AlNb合金长期工作温度可达700℃，是航空航天领域极具应用潜力的轻质高温结构材料，用其代替镍基高温合金，可达到明显的减重效果。在一些应用场合必须解决其与镍基高温合金异种连接技术难题。本项目提出，以双组元纳米叠层材料为中间层，实现Ti2AlNb与镍基高温合金在较低温度下的高活性扩散连接。.如何利用纳米叠层材料的高活性、强的原子扩散能力，创造高活性扩散连接的条件，并阐明纳米扩散焊中不同于常规扩散焊的冶金行为，揭示纳米扩散焊连接机理，是值得研究的科学问题。拟开展如下研究：纳米叠层扩散焊Ti2AlNb/GH536异质接头组织特征及连接机理；接头组织演变物理模型；接头室温力学性能及断裂机理；纳米叠层材料、焊接过程优化及接头室高温力学性能评价。.项目探索纳米扩散焊中的特殊现象，揭示新规律，对于解决难焊接材料以及异种材料组合的焊接难题，具有重要的理论指导意义。项目具有重要的科学研究价值。

Ti2AlNb合金长期工作温度可达700℃，是航空航天领域极具应用潜力的轻质高温结构材料，用其代替镍基高温合金，可达到明显的减重效果。在一些应用场合必须解决其与镍基高温合金异种连接技术难题。本项目以纳米叠层材料为中间层，完成了Ti2AlNb 合金与GH536镍基高温合金的纳米扩散焊探索性研究，研究了异质接头组织特征及连接机理、异质接头的组织演变规律、焊接工艺、接头室温力学性能及断裂机理等研究内容。.纳米扩散焊过程中，纳米叠层箔带内部元素之间发生反应形成化合物，与两侧被焊母材反应形成了固溶体和多元化合物。对于Cu/Ti纳米叠层箔带，其在接头中心自身反应形成了Ti2Cu反应层，与Ti2AlNb和 GH536合金反应分别形成了α-Ti相和Ti(Cu,Ni)相。对于Ti/Al纳米叠层箔带，其与两侧母材的反应程度明显弱于Cu/Ti纳米叠层箔带，在接头中心自身反应形成了γ-TiAl反应层，与Ti2AlNb 合金反应形成了γ-TiAl(Nb)相，与GH536合金反应形成了τ3-Al3NiTi2和τ4-AlNi2Ti相。对于这两类接头，其薄弱环节都在GH536合金侧的反应界面处。.与常规箔带（Ti箔+Cu箔）中间层相比，Cu/Ti纳米叠层箔带为中间层时，接头中形成了较多的α-Ti相，化合物反应层宽度从35µm降低到了18µm，接头中形成了Ti2Cu相而不是脆性更大 TiCu相，可见采用纳米叠层箔带时可以降低化合物数量和形成倾向，这有利于降低接头脆性，改善接头性能，在900℃/20min/20MP焊接制度下，接头室温剪切强度可以达到305MPa。此外，为了避免纳米叠层箔带在长时间升温过程丧失活性，尝试了可以快速加热的感应扩散焊接试验，但由于感应扩散焊接过程中，升温速度和降温速率都很快，而两种母材又存在明显的热膨胀系数差异，容易在连接位置形成较大的热应力，并诱发裂纹生成，限制了接头强度，接头剪切强度低于100MPa。.根据本项目研究结果可知，由于纳米叠层箔带自身活性较高，焊接过程中会发生自身发反应，形成化合物相，并成为接头的主要构成相，这在一定程度上限制了纳米叠层箔带与被焊母材之间的反应，以及接头中化合物相的控制。这为后续二元或三元新型纳米叠层箔带的设计与选择、焊接工艺调控等提供了指导和研究基础。