【摘 要】
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蓝宝石作为一种光学材料,广泛应用于卫星、战斗机、导弹及潜艇等航空领域,Ti-6Al-4V钛合金（TC4）具有较高的比强度,良好的耐热性和耐腐蚀性,在航空领域得到了广泛的应用,因此,将蓝宝石和金属连接起来可以获得兼具二者优良性能的构件,从而最大化发挥蓝宝石的优异性能。但蓝宝石与钛合金之间化学性能及物理性能存在较大的差异,特别是热膨胀系数的差异较大,在钎焊过程中钎焊接头会产生较大的残余应力,大大地削弱
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蓝宝石作为一种光学材料,广泛应用于卫星、战斗机、导弹及潜艇等航空领域,Ti-6Al-4V钛合金（TC4）具有较高的比强度,良好的耐热性和耐腐蚀性,在航空领域得到了广泛的应用,因此,将蓝宝石和金属连接起来可以获得兼具二者优良性能的构件,从而最大化发挥蓝宝石的优异性能。但蓝宝石与钛合金之间化学性能及物理性能存在较大的差异,特别是热膨胀系数的差异较大,在钎焊过程中钎焊接头会产生较大的残余应力,大大地削弱了接头的力学性能。因此机械球磨法制备石墨烯-AgCuTi复合钎料,在真空条件下实现蓝宝石与钛合金（TC4）的钎焊连接。主要研究GNSs对AgCuTi钎料熔点、润湿性以及接头界面组织和力学性能的影响,并分析接头形成的过程的机理;同时讨论钎焊工艺参数对接头组织和性能的影响,最后分析GNSs在焊接接头的界面行为进行分析。通过机械球磨法制备出GNSs-AgCuTi复合钎料,其各个成分的分布比较均匀,且没有发生明显的冶金反应。复合钎料中石墨烯含量为0.5 wt.%时,复合钎料的熔点最小为777.4℃。润湿实验得知,添加适量的石墨烯对复合钎料的润湿性有所改善,当石墨烯含量增加至0.3 wt.%时,复合钎料的润湿性效果最佳;而当石墨烯含量超过0.3 wt.%时,石墨烯在复合钎料中的分散不均匀,导致复合钎料的润湿性变差。TC4和蓝宝石钎焊接头的典型界面组织为:TC4/Ti2Cu/TiCu/Ti3Cu4/Ag（s,s）/TiC+GNSs/TiCu/Ag（s,s）/Ti3Cu3O/蓝宝石。当钎焊温度为850℃、保温时间为10min时,钎焊接头的剪切强度最大为28.5MPa。当温度较低且保温时间较短时,较薄的Ti3Cu3O化合物在一定载荷下容易失效;当温度进一步升高且保温时间延长时,一定厚度的Ti3Cu3O化合物能缓解接头部分残余应力,从而降低接头失效风险;而当钎焊温度过高且保温时间过长时,Ti-Cu金属间化合物得到充分的生长,导致接头强度有所降低。断口分析结果表明,适当的温度下,一定厚度的界面反应层能够改善接头的塑性,从而提高接头的力学性能。采用不同石墨烯含量的复合钎料钎焊钛合金和蓝宝石,当石墨烯含量为0.1wt.%时,钎焊接头强度最大为29.1MPa。当石墨烯含量较低时,钎焊缝区域分布在大量的Ti-Cu相,使得接头剪切强度较低;随着石墨烯含量的逐渐增多,抑制了 Ti-Cu相的生长,使得接头剪切强度有所提高;当石墨烯含量过多时,使得Ti3Cu3O界面层不连续,并且出现蓝宝石侧与钎料出现裂纹的情况,使得接头强度降低。石墨烯边缘C原子具有较高的活性,很容易与Ti原子发生化学反应生成TiC,并且颗粒TiC能够较为均匀地分散在接头组织中,从而起到细化晶粒的作用。
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