一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，具體涉及一種通過(guò)Cu-T1-Al活性釬料實(shí)現(xiàn)對(duì)C/SiC復(fù)合材料焊接的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]C/SiC復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、高熱導(dǎo)、耐輻射、韌性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空航天、新能源及交通運(yùn)輸?shù)雀呒夹g(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但欲實(shí)現(xiàn)C/SiC復(fù)合材料的工程應(yīng)用，則需要制備復(fù)雜形狀構(gòu)件、修復(fù)受損材料以及進(jìn)行封裝等，這些會(huì)涉及到材料的連接。目前C/SiC復(fù)合材料的連接方式主要有機(jī)械連接、粘接、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化、反應(yīng)成型、固相擴(kuò)散、釬焊、在線液相滲透等，其中釬焊連接具有工藝簡(jiǎn)單、接頭適用溫度較高、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景的連接方法。
[0003]從目前的公開(kāi)報(bào)道來(lái)看，有關(guān)C/SiC復(fù)合材料釬焊連接的研究主要集中在C/SiC復(fù)合材料與金屬的異質(zhì)材料連接方面，而關(guān)于C/SiC復(fù)合材料自身之間的釬焊連接卻鮮有報(bào)道。由于受C/SiC復(fù)合材料制備工藝限制，材料很難達(dá)到致密，通常存在裂紋和氣孔等本征缺陷，孔隙率達(dá)到10%?20%。這樣在釬焊連接過(guò)程中易導(dǎo)致在焊縫區(qū)形成氣孔，同時(shí)易使熔化的焊料過(guò)多地滲入C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部，造成焊縫區(qū)殘余的焊料太少，從而影響焊接質(zhì)量，甚至導(dǎo)致連接失敗。此外，C/SiC復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，對(duì)其自身進(jìn)行釬焊連接時(shí)，接頭處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)，影響接頭性能的因素也更加復(fù)雜。上述因素導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)C/SiC復(fù)合材料自身有效的釬焊連接更加具有挑戰(zhàn)性。采用傳統(tǒng)的低溫釬料獲得的接頭高溫強(qiáng)度差，不適于高溫條件下應(yīng)用；而采用高溫釬料則需在較高的溫度下進(jìn)行連接，如鎳基焊料的連接溫度通常高于1100°c，對(duì)母材損傷大。因此迫切需要開(kāi)發(fā)一種能夠在較低溫度(ΙΟΟΟ?左右)下實(shí)施連接，而接頭又具有良好高溫強(qiáng)度的釬焊連接方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有C/SiC復(fù)合材料焊接方法的缺陷，本發(fā)明提供了一種通過(guò)Cu-T1-Al活性釬料實(shí)現(xiàn)對(duì)C/SiC復(fù)合材料低溫焊接的方法。
[0005]本發(fā)明提供了一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，所述方法包括:
1)將Cu粉、Al粉、Ti源混合均勻，得到釬料粉末，加入粘結(jié)劑配制成釬料膏，其中，Ti源為Ti粉或TiH2粉；
2)將步驟I)中制備的釬料膏涂覆在經(jīng)表面預(yù)處理的C/SiC復(fù)合材料之間，制成C/SiC-釬料膏-C/SiC結(jié)構(gòu)的預(yù)連接件；
3)將步驟2)中制備的預(yù)連接件干燥后，移至真空釬焊爐中進(jìn)行釬焊。
[0006]本發(fā)明提供的釬焊連接，采用含有Cu、Al、和Ti的釬料，由于采用Cu基體，具有導(dǎo)熱性、耐腐蝕性好，對(duì)母材損傷較小等優(yōu)點(diǎn)。該釬料不會(huì)像Ti基釬料那樣基體做為活性組分，在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間服役時(shí)與母材發(fā)生過(guò)量的反應(yīng)，生成脆性物質(zhì)而對(duì)接頭產(chǎn)生持續(xù)損傷。釬料中Al元素一方面可以降低釬焊實(shí)施溫度從而減小能耗和對(duì)母材的損傷，另一方面可以提高釬料的流動(dòng)性及抗氧化性能，并促進(jìn)SiC基復(fù)合材料與釬料之間的元素相互擴(kuò)散。釬料中Ti元素主要有兩方面作用。首先，通過(guò)與SiC基復(fù)合材料形成化學(xué)鍵合，提高釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性從而增大連接強(qiáng)度。其次，Ti元素可以與釬料中Al元素以及從母材擴(kuò)散到釬料中的S1、C等元素發(fā)生反應(yīng)，原位形成碳化鈦、硅鋁和硅鈦化合物等粒子或晶須耐高溫增強(qiáng)相，從而提高釬焊接頭的連接強(qiáng)度尤其是高溫強(qiáng)度。
[0007]較佳地，所述釬料粉末中，Al粉的重量百分含量為Iwt%?1wt優(yōu)選3wt%?10wt%,更優(yōu)選4wt% -7wt% ;鈦源的百分含量為4wt%?18*1:%,優(yōu)選7wt% -15wt% ;余量為Cu粉。
[0008]較佳地,所述釬料膏中粘結(jié)劑的加入量為所述釬料粉末的45wt%? 80wt%,優(yōu)選50wt%?60wt%。若粘結(jié)劑太多,釬料膏中釬料粉末的含量太少而且不易涂覆；反之則達(dá)不到粘結(jié)作用而且容易在焊縫中形成孔洞。
[0009]較佳地,步驟I)中，粘結(jié)劑采用濃度為lwt%? 8wt%的聚乙烯縮丁酸的環(huán)己酮溶液。
[0010]較佳地，步驟2)中，涂覆在C/SiC復(fù)合材料表面的釬料膏的厚度為0.5?3mm。
[0011]較佳地，步驟3)中，焊接溫度為900°C?1080°C，優(yōu)選950°C?1020°C。具體焊接溫度由具體釬料組成決定，一般來(lái)說(shuō)，釬料中鈦和鋁含量越高，所需焊接溫度越低；反之所需焊接溫度越高。
[0012]較佳地，步驟3)中，釬焊的保溫時(shí)間為I?30分鐘，真空度高于1.0X 10 2Pa0
[0013]本發(fā)明的有益效果:
工藝簡(jiǎn)單易行，連接過(guò)程不需或只需施加很小的壓力；連接實(shí)施溫度較低，對(duì)母材損傷??；接頭強(qiáng)度，特別是高溫強(qiáng)度高。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中三維針刺C/SiC復(fù)合材料釬焊接頭的光學(xué)顯微鏡照片；
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中三維針刺C/SiC復(fù)合材料釬焊接頭焊縫區(qū)的XRD圖譜；
圖3為測(cè)試試樣剪切強(qiáng)度的裝置；
圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中C/SiC復(fù)合材料釬焊接頭的剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0016]本發(fā)明涉及C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，屬于陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域。本發(fā)明公開(kāi)了一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，所述方法通過(guò)Cu-T1-Al活性釬料的組成設(shè)計(jì)，改善其對(duì)C/SiC復(fù)合材料的潤(rùn)濕性，利用釬料中的活性組分Ti與復(fù)合材料成分間原位反應(yīng)生成的陶瓷相提高焊接區(qū)的耐溫性能和高溫強(qiáng)度，最終提供一種簡(jiǎn)單、可靠且具有應(yīng)用價(jià)值的C/SiC復(fù)合材料釬焊連接方法。包括四個(gè)步驟:(I)配制Cu-T1-Al釬料膏；(2)對(duì)C/SiC復(fù)合材料待焊接面進(jìn)行打磨、清洗和干燥處理；(3)在步驟(2)處理后的C/SiC復(fù)合材料表面涂覆Cu-T1-Al釬料膏，制成C/SiC-釬料膏-C/SiC三明治結(jié)構(gòu)的預(yù)連接件，并進(jìn)行干燥；(4)將干燥后的預(yù)連接件移至真空釬焊爐進(jìn)行連接。本方法可以在低于1000°C的溫度下實(shí)施連接，且連接接頭具有較高的高溫強(qiáng)度。
[0017]一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，所述方法包括如下步驟:
(1)按照設(shè)計(jì)組成稱取Cu粉、Ti(或TiH2)粉和Al粉，在瑪瑙研缽中研磨混合均勻后，加入粘結(jié)劑(例如聚乙烯縮丁醛(PVB)的環(huán)己酮溶液)再混合均勻，配制成釬料膏；
(2)將C/SiC復(fù)合材料待焊接表面打磨平整，然后清洗干凈、干燥；
(3)在經(jīng)過(guò)步驟(2)處理的C/SiC復(fù)合材料表面涂覆釬料膏，制成C/SiC-釬料膏-C/SiC三明治結(jié)構(gòu)的預(yù)連接件，放入干燥箱中進(jìn)行干燥；
(4)將步驟(3)中的預(yù)連接件移至真空釬焊爐中，進(jìn)行連接。
[0018]Cu-T1-Al 針料中 Ti (或 TiH2)的含量可為 4wt % ?18wt %,優(yōu)選 7wt_15wt % ；A1的含量為3wt%?1(^1:%,優(yōu)選4wt% -7wt% ;其余為Cu。
[0019]Ti元素的來(lái)源為金屬Ti或TiH2。
[0020]粘結(jié)劑PVB環(huán)己酮溶液的濃度可為Iwt%?8wt%,優(yōu)選2wt% _5wt%,添加量可為釬料重量的45%?80%。
[0021]在C/SiC復(fù)合材料表面涂覆的釬料膏的厚度為0.5?3mm，優(yōu)選I?2.5mm。
[0022]所述的一種C/SiC復(fù)合材料的釬焊連接方法，焊接溫度為900°C?1080°C，優(yōu)選950?1020°C，保溫時(shí)間可為Imin?30min，真空度高于1.0X10 2Pa0
[0023]釬焊過(guò)程中釬料中的Ti組分與復(fù)合材料成分之間發(fā)生原位反應(yīng)形成具有顆粒狀、片狀或晶須狀的耐高溫陶瓷增強(qiáng)相。
[0024]Cu基釬料具有流動(dòng)性、導(dǎo)熱性好，耐腐蝕，對(duì)C/SiC損傷小，價(jià)格相對(duì)便宜、適于大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景較好。若能通過(guò)調(diào)節(jié)Cu基釬料中的組分來(lái)降低釬焊實(shí)施溫度而提高接頭的高溫強(qiáng)度，將具有非常種重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0025]該釬焊連接方法的機(jī)理為:
通過(guò)釬料中Ti元素與C/SiC復(fù)合材料表面形成化學(xué)鍵合，改善釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)釬料中Al元素提高釬料流動(dòng)性，使C/SiC復(fù)合材料中的C和Si元素更容易擴(kuò)散到釬料內(nèi)部并與釬料中Ti元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位生成碳化鈦、硅鈦化合物等顆粒狀、片狀