钛合金与纯金属间界面反应的实测及热力学、动力学解析

在原子反应堆、航空航天等领域，钛合金经常与其它金属或合金焊接形成复合结构，在焊接或随后服役过程中，焊接面可能发生界面反应生成新相从而改变界面服役性能。因此研究合金间的界面反应以及组织演化规律具有重要意义。本工作将通过研究不同成分、不同组织的钛合金与多种纯金属之间形成的焊接界面经不同温度（特别是低温）、不同时间处理后的组织变化及原子扩散通道，考察界面成分、晶体结构等性质对界面新相的形成序列、长大及形貌的影响；进一步考察多型性转变对界面新相形成的影响，结合合金热力学、相变动力学及界面附近原子可动性计算，研究多元体系界面组织的演化规律；综合考虑形核和长大在新相形成中的竞争性条件，提出预测多元体系界面反应中新相优先形成的动力学判据，以便预测和模拟多元系界面反应，从而为制订合理工艺以控制界面组织或预测工件使用寿命提供理论依据。

在原子反应堆、航空航天等领域，钛合金经常与其它金属或合金焊接形成复合结构，在焊接或随服役过程中，焊接面可能发生界面反应生成新相从而改变界面服役性能。因此研究钛合金体系相平衡、界面反应以及界面组织演化规律具有理论与实际重要意义。本工作中，首先，实验测定了包括Cu-Ni-Ti、Cu-Ni-Zr、Ti-Fe-Bi、Ti-Al-Zr、Ti-Co-Ge、Al-Ni-Zr、Ti-Mn-Zr、Ti-Ni-Ge、Ti-Cu-Ge、Ti-Fe-Sn、Fe-Ce-Bi、Fe-Ce-Zr等10个三元系的相平衡关系，获得了较完善的等温截面，并结合第一性原理计算优化了Cu-Ni-Ti、Fe-Ce-Bi、Cu-Ce-Sn、Ti-Fe-Bi、Ti-Fe-Sn、Ti-Mn-Zr、Co-Ge、Ti-Al-Zr等部分三元体系的相平衡，建立了相应的热力学数据库。其次，实验研究了Ti/Cu-Ni、Ti-Fe/Bi、Cu-Ni/Zr、Ti-Al/Cu、Ti-Cu/Zr、Ti-Mn/Zr、Fe-Ti/Sn等在不同温度下的界面反应通道，确定了Ti-(25,40at%)Al/Cu在800℃时界面形成的第一新相为TiCu2Al；含Cu量分别为20、40at%的Ti-Cu合金与Zr之间在800℃的界面反应时界面第一生成相为Cu51Zr14；Fe-20Ti/Sn在500℃反应时界面上最先形成FeSn2。最后，结合合金热力学、相变动力学，且综合考虑形核和长大在新相形成中的作用，提出了预测界面反应的基本判据，以此为依据，通过合理假设同种晶体结构的金属间的界面反应时界面新相与基体金属间界面能主要来自与相变熵，提出了同种晶体结构的金属间界面反应中新相优先形成的动力学判据，成功预测了Au/Al、Pt/Al、Co/Zn、Al/Cu、Al/Ni间的界面反应产物，并将基本判据推广应用于多元合金体系Sn-Zn/Cu、Sn-Zn/Ni、Fe-Ti/Sn、Sn-Zn/Co等的界面反应预测，取得了初步成功。