CN102489811B

CN102489811B - C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法

Info

Publication number: CN102489811B
Application number: CN 201110409109
Authority: CN
Inventors: 曹健; 史延利; 宋晓国; 陈海燕; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Current assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102489811A

Abstract

C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，涉及一种C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法。是要解决常规钎焊方法连接C/C复合材料与TiAl合金存在连接温度较高、产生过大的热应力、钎焊接头的使用温度受限制的问题。将混合均匀的粉末压制成中间层坯块；将TiAl合金表面经砂纸打磨，和C/C复合材料一起放入丙酮中清洗，吹干；然后将TiAl合金、中间层坯块、AgCuTi钎料箔和C/C复合材料依次叠置，放入真空加热炉，即完成。本发明方法利用自蔓延反应辅助加热实现C/C复合材料与TiAl的钎焊，中间层材料被引燃并发生自蔓延反应，反应释放大量产热使钎料熔化，实现自蔓延反应辅助钎焊连接。

Description

C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法

技术领域

本发明涉及一种C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法。

背景技术

C/C复合材料由于具有密度低、比强度高、高温性能好、抗热冲击和抗疲劳性能好等优异综合性能，被认为是一种理想的高温结构材料，已经成功应用于飞机刹车盘、核反应堆第一壁以及火箭发动机喷嘴等部件。在其应用领域不断拓宽的同时，由于C/C复合材料塑性差、变形困难和加工性差，该材料单独使用受到一定的限制。TiAl金属间化合物是近些年发展起来的新型高温结构材料，它具有密度低、高温性能良好、抗蠕变和抗氧化能力强等优点，在航空、航天、军事和民用领域具有广阔的应用前景。C/C复合材料与TiAl金属间化合物都具有优异的高温使用性能，通常采用常规钎焊方法连接C/C复合材料与TiAl存在几个突出的问题：首先是连接温度问题，对于C/C复合材料和TiAl这类高温材料钎焊温度较高；其次是接头的高温使用问题，钎焊接头的使用温度受到一定的限制，难以保证接头满足使用要求；再次是钎料与复合材料母材的界面反应问题，界面反应不足、反应层不连续等问题均会对连接质量产生严重的影响；最后，连接接头的应力问题也非常突出，由于C/C复合材料与TiAl的热膨胀系数差异很大，在钎焊接头的加热和冷却过程中不可避免地会产生热应力，而C/C复合材料是脆性材料，残余应力会严重削弱接头的力学性能，甚至导致已经连接好的接头发生破坏。如《Brazing mechanism andinfiltration strengthening of CC composites to TiAl alloys joint》(Scripta Materialia63(2010)859-862)(《CC复合材料与TiAl合金接头的钎焊机理与渗透强化》(材料快报63(2010)859-862))。

发明内容

本发明是要解决常规钎焊方法连接C/C复合材料与TiAl合金存在连接温度较高、产生过大的热应力、钎焊接头的使用温度受限制的问题，提供C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法。

本发明C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，按以下步骤进行：一、按重量百分比称取40％～55％的Ti粉、20％～40％的Al粉和余量的C粉，放入球磨机中以300～350r/min的速度进行球磨，球料质量比为5～7∶1，球磨时间为30min～3h，得混合均匀的粉末，然后采用200～500MPa压力将混合均匀的粉末压制成中间层坯块；二、将TiAl合金表面经80#、200#、400#和600#的砂纸逐层打磨，然后将打磨后的TiAl合金和C/C复合材料放入丙酮中超声清洗5min，然后用棉花擦拭TiAl合金和C/C复合材料的待焊表面并用吹风机吹干；三、然后将TiAl合金、步骤一制得的中间层坯块、AgCuTi钎料箔和C/C复合材料依次叠置，然后放入真空加热炉中加热，同时施加以20～50MPa的轴向压力，在680～750℃保温20～30min，即完成C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接。

本发明方法利用自蔓延反应辅助加热实现C/C复合材料与TiAl的钎焊，在连接温度低于钎料熔化温度(830～850℃)的条件下，中间层材料被引燃并发生自蔓延反应，反应释放大量产热使钎料熔化，进而实现C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接。

相比传统的钎焊方法，该方法能够降低传统钎焊的连接温度，为680～750℃，连接过程在中间层自蔓延反应结束后完成，连接效率高；而且此时连接热影响区小，属于一种局部加热方法，可以保证界面结合，又不会产生过大的热应力。另外，该方法通过自蔓延反应获得的接头中存在高熔点陶瓷相骨架，可以起到颗粒强化的效果，能够实现提高钎焊接头使用温度的目的。

附图说明

图1为具体实施方式十一C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接装配示意图；图2为具体实施方式十一方法获得接头的典型界面结构图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，按以下步骤进行：一、按重量百分比称取40％～55％的Ti粉、20％～40％的Al粉和余量的C粉，放入球磨机中以300～350r/min的速度进行球磨，球料质量比为5～7∶1，球磨时间为30min～3h，得混合均匀的粉末，然后采用200～500MPa压力将混合均匀的粉末压制成中间层坯块；二、将TiAl合金表面经80#、200#、400#和600#的砂纸逐层打磨，然后将打磨后的TiAl合金和C/C复合材料放入丙酮中超声清洗5min，然后用棉花擦拭TiAl合金和C/C复合材料的待焊表面并用吹风机吹干；三、然后将TiAl合金、步骤一制得的中间层坯块、AgCuTi钎料箔和C/C复合材料依次叠置，然后放入真空加热炉中加热，同时施加以20～50MPa的轴向压力，在680～750℃保温20～30min，即完成C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接。

本实施方式所述Ti粉、Al粉和C粉购买自北京兴荣源科技有限公司，C/C复合材料购买自湖南博云新材料股份有限公司，AgCuTi钎料箔为购买得到。

本实施方式方法利用自蔓延反应辅助加热实现C/C复合材料与TiAl的钎焊，在连接温度低于钎料熔化温度(830～850℃)的条件下，中间层材料被引燃并发生自蔓延反应，反应释放大量产热使钎料熔化，进而实现C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按重量百分比称取50％的Ti粉、30％的Al粉和20％的C粉。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按重量百分比称取45％的Ti粉、30％的Al粉和25％的C粉。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中放入球磨机中以330r/min的速度进行球磨。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中球料质量比为6∶1。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中球磨时间为1h～2h。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中采用300～400MPa压力将混合均匀的粉末压制成中间层坯块。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中TiAl合金的成分为Ti-46Al-2Cr-2Nb(at％)。其它与具体实施方式一至七之一相同。

本实施方式所述TiAl合金经电弧熔炼制得。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中施加以30～40MPa的轴向压力。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中在700～730℃保温25min。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，按以下步骤进行：一、按重量百分比称取50％的Ti粉、30％的Al粉和20％的C粉，放入球磨机中以330r/min的速度进行球磨，球料质量比为6∶1，球磨时间为1h，得混合均匀的粉末，然后采用300MPa压力将混合均匀的粉末压制成尺寸为Φ10mm×2mm的中间层坯块；二、将30mm×10mm×2mm的TiAl合金表面经80#、200#、400#和600#的砂纸逐层打磨，然后将打磨后的TiAl合金和7mm×7mm×3mm的C/C复合材料放入丙酮中超声清洗5min，然后用棉花擦拭TiAl合金和C/C复合材料的待焊表面并用吹风机吹干；三、然后将TiAl合金、步骤一制得的中间层坯块、50μm的AgCuTi钎料箔和C/C复合材料依次叠置，然后放入真空加热炉中加热，同时施加以30MPa的轴向压力，在750℃保温20min，即完成C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接。

本实施方式所用的Ti粉、Al粉颗粒度均为325目，纯度≥99.5％，C粉为纳米粉末。

本实施方式C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接装配示意图如图1所示。图1中1为C/C复合材料，2为AgCuTi钎料箔，3为中间层坯块，4为TiAl合金。

图2为接头的典型界面结构图，其中a为C/C复合材料，b为TiAl合金。可以看出，采用本实施方式的方法接头界面结合良好。经测试，接头在750℃最高抗剪切强度达到可达11MPa。

Claims

1.C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，按以下步骤进行：一、按重量百分比称取40％～55％的Ti粉、20％～40％的Al粉和余量的C粉，放入球磨机中以300～350r/min的速度进行球磨，球料质量比为5～7∶1，球磨时间为30min～3h，得混合均匀的粉末，然后采用200～500MPa压力将混合均匀的粉末压制成中间层坯块；二、将TiAl合金表面经80#、200#、400#和600#的砂纸逐层打磨，然后将打磨后的TiAl合金和C/C复合材料放入丙酮中超声清洗5min，然后用棉花擦拭TiAl合金和C/C复合材料的待焊表面并用吹风机吹干；三、然后将TiAl合金、步骤一制得的中间层坯块、AgCuTi钎料箔和C/C复合材料依次叠置，然后放入真空加热炉中加热，同时施加以20～50MPa的轴向压力，在680～750℃保温20～30min，即完成C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接；其中步骤一所用的Ti粉、Al粉颗粒度均为325目，纯度≥99.5％，C粉为纳米粉末。

2.根据权利要求1所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取50％的Ti粉、30％的Al粉和20％的C粉。

3.根据权利要求1所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中按重量百分比称取45％的Ti粉、30％的Al粉和25％的C粉。

4.根据权利要求1或2所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中放入球磨机中以330r/min的速度进行球磨。

5.根据权利要求4所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中球料质量比为6∶1。

6.根据权利要求5所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中球磨时间为1h～2h。

7.根据权利要求6所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤一中采用300～400MPa压力将混合均匀的粉末压制成中间层坯块。

8.根据权利要求7所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤二中TiAl合金的成分为Ti-46Al-2Cr-2Nb。

9.根据权利要求8所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤三中施加以30～40MPa的轴向压力。

10.根据权利要求9所述的C/C复合材料与TiAl的自蔓延反应辅助钎焊连接方法，其特征在于步骤三中在700～730℃保温25min。