ZrC-W复合材料与GH3128钎焊的梯度界面设计与反应机理
批准号：
52105354
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
雷敏
依托单位：
学科分类：
成形制造
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
雷敏
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
为满足ZrC-W复合材料与GH3128镍基合金高质量连接的需求，本项目提出一种在GH3128表面制备梯度熔覆层、设计复合钎料及钎焊过程中在钎缝内原位生成微-纳米产物，实现从ZrC-W复合材料侧到GH3128侧成分和性能上的梯度过渡，从而优化界面结构、缓解接头应力的新方法。其中，优化设计制备的梯度熔覆层不仅可以抑制钎料对GH3128侧的溶蚀，减少钎缝中脆性化合物的形成，还可以调节钎缝的物理性能，提高接头的力学性能。通过元素活度计算和建立GH3128侧金属向钎料的溶解模型，阐明金属溶解对钎料中元素活度的影响机制。此外，基于反应产物的热力学和钎料在复合材料表面的润湿机理，对复合钎料进行优化设计。特别是，通过建立接头的界面反应模型和力学模型，阐明接头的反应机理和力学性能调控机制。本项目不仅可为ZrC-W复合材料与镍基高温合金的可靠连接提供技术参考，还可以丰富陶瓷及复合材料与金属钎焊的基础理论。
英文摘要
In order to meet the demand of joining ZrC-W composite and GH3128 nickel-based superalloy, a method by fabricating gradient cladding layer on the superalloy, designing composite brazing alloy and in-situ forming micro-nano strengthening phase in the brazing seam is proposed in this project, which realizes the gradient distribution of composition and property from the ZrC-W composite to the nickel-based superalloy, optimizes the interfacial microstructure, and releases the residual stress of the joint. The optimized design and fabrication of the gradient cladding layer restrains the dissolution of the nickel-based superalloy into the brazing alloy, reduces the brittle compound, adjusts the physical properties of the brazing seam, and improves the mechanical properties. In addition, the dissolution mechanism is investigated by the establishment of the thermodynamic model of element activity and the dissolution mathematical model of nickel-based superalloy. Furthermore, based on the thermodynamic calculation of the formation of the reaction layer and wetting mechanism of the brazing alloy on the ZrC-W composite, the optimized composite brazing alloy is designed. Moreover, the reaction mechanism of the brazing joint is elucidated by establishing the reaction model of the brazing joint; and the mechanical performance control mechanism is clarified through establishment of the strength model of the joint. This project not only provides reference for reliable joining technology of ZrC-W composite and nickel-based superalloy, but also enriches the basic theory of joining ceramics and composites to metals.
实现ZrC-W复合材料与GH3128镍基高温合金的可靠连接，可以综合利用两种材料的优良性能、大大简化构件制备工艺、降低加工成本，对高超音速飞行器的研制具有重要的意义。为了满足ZrC-W复合材料和GH3128镍基高温合金高质量连接的需求，本项目提出在镍基高温合金表面制备梯度熔覆层，并采用AgCuZn焊膏在氩气下对ZrC-W复合材料和GH3128进行钎焊连接的方法。项目的主要内容包括：钎料体系优选设计、GH3128表面熔覆层设计与制备、GH3128与ZrC-W复合材料直接钎焊研究、接头残余应力模拟计算、表面熔覆层的GH3128与ZrC-W复合材料钎焊研究、表面梯度熔覆层的GH3128与ZrC-W复合材料钎焊研究五部分。基于润湿试验和初步力学测试，优选AgCuZn焊膏。基于Ni溶解的热力学数据计算，发现钎料中Zn元素促进钎料对镍基高温合金的溶解，并增强钎料与母材的界面反应。810℃保温10min时，钎焊接头的典型界面结构为GH3128高温合金/(Cu,Ni)+Ag(s,s)+Cr(s,s)/ZrC-W复合材料。基于接头应力的有限元模拟，发现镍基高温合金侧Ni+TiC颗粒熔覆层能改善接头应力分布情况，缓解接头残余应力。基于熔覆层表面成形、界面形貌、显微硬度和纳米压痕等分析，确定了熔覆层的优化参数。分别设计单层熔覆层和梯度熔覆层并对高温合金和ZrC-W复合材料进行钎焊试验，发现相比直接钎焊，单层熔覆层接头最大剪切强度提升了124.8%，此时工艺参数为钎焊温度为890℃，保温时间为10min，接头断裂于钎缝；而相比单层熔覆层，梯度熔覆层接头在此参数下剪切强度更提升了20%，此时接头断裂于ZrC-W母材。分析了工艺参数对界面组织和力学性能的影响规律，结合试验、理论分析和数值模拟方法阐明了接头的反应机理和接头力学性能调控机制。本项目为复合材料和金属的连接提供一种非真空连接方法，可降低设备和焊接材料成本，不仅可为复合材料与镍基高温合金的连接提供技术参考，还可以丰富陶瓷/复合材料与金属钎焊的基础理论。
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