【摘 要】
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TZM合金具有高导热率、低热膨胀系数以及优越的高温性能,作为高温结构材料广泛应用于核能领域,但难加工难焊接限制了它的应用。通过实现TZM合金与石墨的可靠连接,可以充分利用石墨优异的散热性能和比重小的特点来发挥TZM优异的高温力学性能。本文在采用Ti-35Ni钎料实现TZM/石墨可靠钎焊连接的基础上,探究了石墨表面微结构化对接头界面组织与力学性能的影响,分析了微结构化对接头残余应力分布的影响,阐述了
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TZM合金具有高导热率、低热膨胀系数以及优越的高温性能,作为高温结构材料广泛应用于核能领域,但难加工难焊接限制了它的应用。通过实现TZM合金与石墨的可靠连接,可以充分利用石墨优异的散热性能和比重小的特点来发挥TZM优异的高温力学性能。本文在采用Ti-35Ni钎料实现TZM/石墨可靠钎焊连接的基础上,探究了石墨表面微结构化对接头界面组织与力学性能的影响,分析了微结构化对接头残余应力分布的影响,阐述了TZM/石墨钎焊接头的形成机理。Ti-35Ni钎料在石墨表面的润湿性较好,最终润湿角为27.8°,其典型界面组织组成为:Ti2Ni+Ti Ni/Ti C/石墨。采用Ti-35Ni钎料合金成功实现了TZM与石墨的可靠钎焊连接,接头的典型界面组织组成为:TZM/TiMo（s,s）/Ti Ni+Ti2Ni/Ti C/石墨。随钎焊温度的升高或保温时间的延长,石墨侧Ti C反应层的厚度均在逐渐增加,并且当钎焊温度高于1220°C时钎缝中的Ti2Ni相消失。随钎焊温度的升高或保温时间的延长,接头的抗剪强度都表现为先增后减的趋势,在1300°C-10min时获得最高强度值14.50MPa。多数接头由Ti C层与石墨的界面起裂延伸至石墨母材内部。表面微结构化提高了石墨的表面粗糙度,并且随扫描间距减小,石墨的表面积比和面粗糙度均呈现出逐渐增加的趋势。条纹/网格状微结构的形成提高了Ti-35Ni/石墨体系的润湿性,其最终润湿角远低于未处理时。石墨表面微结构的形成既不会改变Ti-35Ni/石墨的润湿界面组织结构,也不会改变TZM/石墨接头的界面组织结构。扫描间距增加,TZM/条纹状（网格状）石墨接头抗剪强度均呈现先增后减的趋势,其最大值分别为18.05MPa和18.96MPa。微结构的形成改变了接头的断裂路径,微结构化的接头部分区域沿着曲折的Ti C层与石墨的界面断裂,大部分区域则沿着石墨母材内部断裂,增加了裂纹扩展的路径总长度以及扩展所需要消耗的能量,提高了接头抗剪强度。通过对界面组织分析总结出TZM/石墨接头形成机制:钎料熔化后,钎料中的Ti、Ni原子扩散到两侧并富集,TZM合金中的Mo原子溶入钎料中并富集于TZM侧;TZM侧形成了Ti-Mo固溶体,石墨侧富集的Ti原子则与石墨反应形成Ti C层;继续升温后保温,TZM侧Ti-Mo固溶体连接在一起形成TiMo（s,s）层并增厚,石墨侧Ti C层的厚度也在增加;冷却阶段时残余液相凝固形成反应层Ⅱ中的Ti2Ni和Ti Ni相。采用有限元模拟分析了TZM/石墨接头残余应力分布,接头残余应力主要集中于连接界面处,且石墨侧的应力峰值高于TZM合金侧,整个接头最大的Mises等效应力为115MPa。微结构化后,石墨表面规律排布的锯齿状沟槽代替Ti-35Ni钎料成为整个接头应力集中最明显的区域。随着扫描间距增加,TZM/条纹状石墨的等效应力峰值逐渐减小,扫描间距为60/90/180μm时应力峰值为1026/554.1/382.4MPa。微结构的形成促进石墨界面处的应力状态由单侧拉伸压缩应力转变为交替拉伸压缩应力状态,提高了接头抗剪强度。
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