SiC陶瓷与K4169合金复合铸件界面组织与力学性能

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SiC陶瓷具有热膨胀系数小、耐磨损、抗氧化、抗热震、硬度高以及高温力学性能好等诸多优良特性,可用作火箭喷嘴、发动机耐热蚀部件、燃气轮机叶片等的关键材料,但是由于工程陶瓷材料本身的脆性和制备工艺的限制,难以获得尺寸较大、形状较为复杂的构件。而K4169是目前应用较为广泛的镍基高温合金,在性能上与陶瓷材料具有一定的互补关系。因此,实现陶瓷与金属的可靠连接具有很高的工程应用价值。本文采用铸造工艺实现SiC陶瓷与K4169高温镍基合金的一体化成型,结合有限元模拟结果,研究了不同工艺参数和界面条件对SiC陶瓷与K4169合金复合铸件界面组织和性能的影响。基于ANSYS Workbench建立SiC陶瓷与K4169合金复合铸件模型,考虑7种不同的界面结构、8种不同成分的中间层、6种不同厚度的中间层,对模型进行DM模块的结构优化设计,由于模型的最大等效应力通常发生在陶瓷端,故以减少陶瓷端最大等效应力为目的对各模型进行结构优化,综合分析模拟结果得到较优的界面参数:正弦波结构(3.5个周期,振幅3.49mm)加0.4mmTi-45Ni中间层为两种最优结构,在所给边界条件下最大三点弯曲强度为206.3MPa。采用重力铸造工艺,在真空度10Pa、1450℃、预热900℃的条件下进行SiC陶瓷与K4169镍基高温合金复合铸造成型,界面反应层厚度达到200μm,通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)确定了接头反应区微观结构为:K4169/游离C+FeC/TiC/FexSi/NixSi/TiC/SiC。控制变量进行工艺参数的研究,发现随着保温时间的延长,元素充分扩散,反应区厚度逐渐增大,反应层中的细网格状FeSi和NiSi相开始长大并转变为板条状,游离的SiC颗粒数量和大小显著减小;随着浇注温度增加,陶瓷近缝区热裂纹数量增多,陶瓷界面呈溃散状,剥落的SiC颗粒增多且向K4169一侧扩散。最后对SiC陶瓷母材热裂断口形貌进行分析。采用Ti-45Ni中间层用以缓解SiC陶瓷与K4169合金连接过程中产生的热应力。结果表明,由于中间层的加入,SiC陶瓷避免了与高温金属液的直接接触,不会因热冲击而断裂;中间层材料熔化润湿陶瓷表面,连接界面更为平整;一定厚度的反应层形成热膨胀系数的梯度过渡,缓解了热应力。活性元素还可以促进元素扩散和反应的进行,采用Ti中间层得到的铸件界面结构主要为:SiC/SiC颗粒+C/Ni2Si+FexSi/TiC+Ti5Si3/残余Ti箔/TiC+Ti5Si3/K4160;采用NiTi中间层得到的铸件界面结构主要为:SiC/TiC+C/Ni2Si/Ni3Si+Ti3SiC2+FexSi/FeC+(Nb,Cr)C/k4169。浇注温度为1450℃,随着NiTi中间层厚度的增大,反应层厚度先减小后增大,反应层中游离的C和SiC颗粒逐渐消失,界面结合更紧密平缓,浇注温度1450℃,NiTi厚度350μm时弯曲强度最高为120MPa。
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