放电等离子扩散焊过程中电-热-力复合能场对构件材料及界面作用机理研究

Focusing on the development of bi-material blisk/bing for aero-engine with high thrust-weight ratio，and under the view that pulse current could improve the material properties and promote the diffusion of atoms, the research of spark plasma diffusion bonding(SPDB) of TiAl/SiCf-Ti2AlNb will be carried out in this project. The current-temperature-force finite elements model by analyzing the interaction of current, temperature, force and materials will be set up to illustrate the principle of SPDB and the evolution of temperature field and stress-strain; high performance joint of TiAl/SiCf-Ti2AlNb will be made by adjusting brittle phase with the deigned interlays; comparing the traditional hot press diffusion bonding and hot physical analogy experiments, the effects of current-temperature-force coupling on the diffusion behavior of atoms at the joint interface, the evolution of microstructure of joints, plastic deformation behavior, fracture properties and interaction reaction between of SiCf and Ti2AlNb will be studied. current-temperature-force coupling on materials of components and interface will reveal fully and the research achievements will establish theories and techniques for the application of composite energy field and a new manufacturing method for bi-material components of aero-engine.

本项目围绕高推比航空发动机对双材料整体叶盘/叶环的研制需求，利用脉冲大电流能够改善材料性能和促进原子扩散的特点，开展TiAl/SiCf-Ti2AlNb放电等离子扩散焊技术研究。分析电、热、力、材料之间的交互作用，建立放电等离子扩散焊电-热-力耦合有限元模型，阐明放电等离子扩散焊产热机制与温度场和应力应变场的变化规律；开展中间层成分设计与脆性相调控研究，实现TiAl/SiCf-Ti2AlNb高强度连接；对比传统热压扩散焊，结合热物理模拟实验，研究电-热-力耦合对焊接界面原子扩散行为、接头微观结构演变、塑性变形行为、断裂特征、SiCf与Ti2AlNb界面反应的影响规律；全面揭示放电等离子扩散焊过程中电-热-力复合能场对构件材料及界面作用机理，为复合能场在扩散焊技术领域的应用和航空发动机新型整体结构的制造新方法提供理论和技术支持。

减轻部件重量、提高发动机工作温度和部件载荷能力，是提高发动机推重比（功重比）的有效途径，国内外航空发动机越来越多采用整体结构。在发动机叶盘结构方面，将叶片与盘连接成整体，形成整体叶盘结构代替榫头/榫槽连接的叶盘，可减小轮盘部位厚度，避免传统结构中榫槽对涡轮盘削弱的影响，具有显著的减重效果达到。根据叶片和盘的工作特性以及载荷状况，采用双材料结构，更能够充分发挥材料性能，因此叶片与盘的高强度连接是整体叶环结构制造的关键技术之一。放电等离子扩散焊技术鉴放电等离子烧结过程中脉冲大电流促进塑性变形和原子扩散等工艺过程的原理, 在脉冲大电流和压力作用下将等离子活化界面、电场、热压和电阻加热融为一体，促使表面离子快速迁移，促进原子快速扩散，快速形成牢固焊接接头，与整体加热扩散焊相比，解决了由叶片材料与叶盘材料高温性能差距大造成的无法相匹配的焊接工艺难题，以及长时间焊接造成晶粒长力学性能恶化，变形严重造成尺寸精度不可控制等问题，有望实现高性能整体叶盘的制造。本项目以TiAl材料和Ti2AlNb材料的连接为研究对象，采用数值模拟、物理模拟与工艺试验相结合的方法开展工作，分析了放电等离子扩散焊过程中电、热、力学行为的交互作用，建立了TiAl/Ti2AlNb放电等离子扩散焊电-热-力耦合有限元模型。针对TiAl/Ti2AlNb高强度放电等离子扩散焊过程中涉及的中间层进行设计、微观组织演变和力学性能进行研究，从而获得适用于TiAl/Ti2AlNb高强度连接的中间层，实现了接头强度与母材达到等强。通过对比传统真空热压扩散焊，揭示了脉冲大电流做用下元素快速扩散本质。结合热物理模拟试验，阐明了TiAl、Ti2AlNb变形机制，结合中断试验过程中的界面微观组织演变规律，全面揭示了放电等离子扩散焊过程中复合能场对材料的作用机制，为高差异异质材料整体构件的研制和放电等离子扩散焊技术提供理论基础。