C/Al复合材料与TiAl电子束诱导自蔓延焊接机理及动力学研究

本项目主要针对C/Al复合材料与金属的焊接新技术进行研究，探索一种新的电子束诱导活性中间层自蔓延焊接的方法。采用纳米级超细合金粉末混合后压制成箔态，以及纳米级多层膜作为自蔓延焊接中间反应层，提高反应活性，并采用电子束热源作为引燃方法并利用其辅助加热，保证焊接过程中稳定的自蔓延反应，提高焊缝组织的致密性，从而获得高质量的焊接接头。活性中间反应层采用纳米级粉末具有较大的表面能，可以降低自蔓延反应的点燃温度，提高反应燃烧速度，实现可靠的连接。本项目通过试验与数值模拟相结合的方法，揭示电子束诱导活性中间反应层自蔓延焊接机理，找出获得优质焊接接头的途径，进行C/Al复合材料与TiAl自蔓延焊接反应动力学研究，建立自蔓延反应连接非均质燃烧动力学模型，为自蔓延焊接方法提供理论基础。并为复合材料、陶瓷及金属合金异种材料的连接提供一种新的思路及方法。

针对Cf/Al复合材料和TiAl金属间化合物的连接，系统研究了二者的自蔓延连接。结合材料自身性能和理论基础，优化设计了中间层。研究了中间层自蔓延反应、自蔓延连接过程的热分析，对获得的连接接头界面结构进行了分析，并阐述了工艺参数对接头界面接头及力学性能的影响规律，分析了接头的形成机理。.基于热力学和中间层设计原则，确定采用Ni-Al粉末中间层，并对Ni-Al中间层的绝热温度进行了计算。通过差热分析，确定了Ni-Al中间层的理论引燃温度为640℃，研究了中间层燃烧、自蔓延连接过程中的传热问题。结果表明，Ni-Al中间层实际引燃温度受比表面积影响，比表面积越大，实际引燃温度越高，其单位面积导热散失的热量大于热辐射散失的热量。增大加热速率能减缓中间层在加热过程中的热量散失，对降低自蔓延反应引燃温度起到促进作用。在母材和夹具间添加隔热材料能使热量最大限度地用于母材和临近中间层的升温，对燃烧波传播起到促进作用。.采用单纯Ni-Al中间层时，接头产生了一系列缺陷。添加少量Ti-Al体系组成Ni-Al-Ti中间层，可以显著降低接头中的缺陷，得到的良好的接头，接头的界面结构为TiAl/γ/Ni3Al+Ni5Al3/NiAl+富Al-γ/Ni3Al+Ni5Al3/Ni2Al3/NiAl3/Cf/Al+NiAl3/Cf/Al。中间层中Ti-Al体系含量的增大使反应产物由NiAl向NiAl+富Al-γ转变，接头致密度升高。Ti-Al体系含量为0.1时，强度最大为24.12MPa；Ti-Al体系含量的过大或过小都将增加接头中缺陷，影响接头性能。制坯压力增大，接头致密度增大，强度升高。连接压力增大，接头致密度增大，界面处拉应力减小，反应层裂纹倾向减小，对接头强度起到促进作用。连接压力过大时，中间层产物产生裂纹，Cf/Al发生破碎，接头强度降低。.通过淬熄实验，研究了Ni-Al-Ti中间层燃烧机理，阐述了TiAl和Cf/Al自蔓延连接过程。在连接开始后，中间层被引燃，生成NiAl+富Al-γ并形成燃烧波；燃烧波传播，两侧母材局部熔化，与中间层反应形成NiAl3、Ni2Al3、γ-Ni0.35Al0.30Ti0.35反应层；燃烧波传播到中间层末端，自蔓延反应结束，温度降低到室温，界面反应停止，形成接头。