CN109047963B - 一种Cf/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法 - Google Patents

Abstract

一种C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法，属于异种材料连接领域，包括以下步骤：1.将一定配比的Ag粉、Ti粉及TiC颗粒均匀混合制成Ag‑Ti+TiC复合钎料，用无水乙醇调成膏状均匀涂在待焊材料之间，形成待焊件；2.将待焊件置于真空加热炉中，焊接温度990～1080℃，保温时间10～90min，不施加任何压力下复合钎焊C_f/C复合材料与镍基高温合金。钎焊过程中，Ti作为活性元素与C_f/C反应形成反应层，加入的高熔点TiC颗粒作为增强相，形成了类似颗粒增强金属基复合材料的复合连接层，降低了连接层的热膨胀系数，缓解了接头的热应力，接头室温剪切强度最高可达67.2MPa。本发明具有工艺方法简单，接头强度极高且耐温性能好，连接温度较低，连接材料易制备，成本低等优点。

Description

一种Cf/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法

技术领域

本发明属于异种材料连接技术领域，涉及一种C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法。

背景技术

C_f/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料，具有密度低、耐高温、热膨胀系数小、耐腐蚀、吸震性能好、弹性模量高等优点，而且随着C_f/C复合材料使用温度升高至2200℃，其强度相比室温不降反升，这些优异的性能使得C_f/C复合材料广泛用于航空航天领域。然而，相比于金属而言，C_f/C复合材料的延展性和冲击韧性较低，加工性能较差，不易制造大尺寸或者复杂结构件，在某些领域，C_f/C复合材料需要和金属连接组成大尺寸或者复杂的结构件。镍基高温合金具有耐高温、耐腐蚀、加工性能好等优点，是航空航天发动机的关键材料，被誉为“燃气轮机的心脏”，若将C_f/C复合材料与镍基高温合金进行连接，可发挥两种材料各自的优异性能，显著提高航天发动机的推质比和灵敏度。因此，解决C_f/C复合材料和镍基高温合金连接的问题，是保证 C_f/C复合材料进一步拓展在航空航天领域应用的关键。

C_f/C复合材料和镍基高温合金的连接技术难度大、可靠性要求高，主要表现在：(1)接头使用性能和服役可靠性要求高：焊接接头在航天发动机中的应用部位大都结构复杂，并且长期处在震荡和高温环境中，因此对接头性能和可靠性要求极为苛刻；(2)C_f/C复合材料与镍基高温合金之间热膨胀系数差别很大，焊接后的接头之间存在较大应力，容易导致接头失效；(3)大多数钎料对C_f/C复合材料润湿性很差或者不润湿，难以实现有效连接；(4)C_f/C 复合材料熔点高，不能形成液相，普通的熔化焊，如MIG、TIG焊等不适用于C_f/C复合材料和金属的连接；(5)扩散焊技术虽然可以用于C_f/C复合材料和金属的连接，但连接温度高，对基体表面要求高，需要施加较大压力，接头强度分散性较大，所以扩散焊也不适用于C_f/C 复合材料和金属的连接。

钎焊技术因其焊接方法简单方便，可以实现不同种类材料之间的连接，是国内外连接复合材料和金属的主要方法，已经有不少关于复合材料和金属钎焊方法的报道，但其中关于C_f/C 复合材料和镍基高温合金的较少，而且获得的接头难于满足实际应用的需求。如日本学者 A.Kurumada采用多层金属箔片作为连接层连接C_f/C与Cu[A.Kurumada，B.McEnaney，et al， Journal of Nuclear Materials，1996，240(1):43-50.]，成功实现了接头的连接，但并未提及接头的剪切强度；西工大李京龙等人采用TiCu合金连接C_f/C与Nb[J.L.Li，J.T.Xiong，et al，Materials Science and Engineering A，2008,483:698-700.]，钎焊过程分为两个阶段，第一阶段在780℃下施加4MPa压力，保温30min，第二阶段在1050℃下施加0.03MPa压力，保温30min，获得的接头平均抗剪强度为28.6MPa，但是当第二阶段不施加压力，抗剪强度仅为0.5～1.5MPa；哈工大秦优琼等人采用AgCuTi钎焊C_f/C与TC4[秦优琼等，稀有金属材料与工程，2006,36(7)： 1210-1214.]，在910℃，保温10min条件下，接头获得的最高抗剪强度为25MPa，接头强度较低，且钎料耐温性差；之后哈工大刘多等人报道了一种采用Ag-Cu-Ti+碳纤维连接C_f/LAS 与TC4的方法[刘多等，一种连接C_f/LAS复合材料与钛合金的复合钎料及钎焊方法， 201510739405.1，2015.]，虽然得到的强度较高，但钎料中Ag与Cu的成分点为779℃的共晶点，仍然没有解决耐温性差的问题(使用温度在500℃以下)，而且钎料中Cu和碳纤维会降低Ti的活性，从而降低界面反应强度；西工大吴永智等采用BNi68CrWB连接C_f/C与GH600 镍基高温合金[吴永智等，宇航材料工艺，2015，45(1)，69-72.]，在1150～1200℃下，保温 10min，获得的接头抗剪强度为49.9MPa，虽然剪切强度较高，但C_f/C表面的反应层存在大量的碳化铬，增加了接头的脆性，此外，连接温度较高，对高温合金性能影响较大；西工大史小红等采用Ni71CrSi钎焊C_f/C与GH3044高温合金[Xiaohong Shi，Xiuxiu Jin，Journal of Alloys and Compounds，2017,693,837-842]，C_f/C表面经SiC纳米线增韧SiC涂层改性，在 1000～1100℃下，保温30min，获得的接头抗剪强度为54.7MPa，比没有SiC纳米线增韧的接头抗剪强度高60％，但工艺非常复杂。

综上所述，真空钎焊C_f/C复合材料和金属还存在一些问题，主要是：直接真空钎焊后接头剪切强度普遍较低；C_f/C复合材料表面经改性处理或者焊接过程中对接头施加一定压力后可以提高接头剪切强度，但工艺复杂；C_f/C表面的反应层存在大量化合物，增加了接头的脆性；连接温度高对母材损害较大等问题。本发明相对于AgCu基钎料，基体具有更好的塑性，接头强度更高，耐温性能更好。此外，可以在较低温度下(≤1080℃)有效实现C_f/C复合材料与镍基高温合金的连接，不损害母材，C/C反应界面不存在大量的化合物，工艺简单。

发明内容

为了克服C_f/C复合材料与镍基高温合金在连接中存在工艺复杂、接头强度低耐温性差、连接温度高等问题，本发明提供了一种C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法。

一种C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1.将C_f/C复合材料和镍基高温合金通过线切割加工成待焊母材，然后将C_f/C复合材料待焊面经400目砂纸打磨去除夹杂物，镍基高温合金表面经240目砂纸打磨去除氧化膜，再将打磨后的C_f/C复合材料和镍基高温合金放入无水乙醇中超声波清洗5～10min，取出冷风吹干备用；

步骤2.将Ag粉、Ti粉及TiC颗粒按照一定配比均匀混合制成Ag-Ti+TiC复合钎料，然后用无水乙醇调成膏状均匀涂覆在步骤1得到的待焊母材连接面之间，形成待焊件；

步骤3.将步骤2中得到的待焊件放置在真空加热炉中，不施加任何压力，当真空度达到 6×10^-3MPa时开始通电加热，控制升温速率为10～15℃/min，升温到990～1080℃的焊接温度，保温时间10～90min，保温结束后随炉冷却至室温，得到复合钎焊接头。

进一步地，所述步骤2中的复合钎料的制备过程为：先按Ag：Ti＝9～49:1的质量比称取 Ag粉和Ti粉混合成Ag-Ti活性钎料，然后再加入体积分数为8～32％的TiC颗粒，均匀混合形成Ag-Ti+TiC复合钎料。

进一步地，所述步骤2中Ag粉、Ti粉及TiC颗粒粒径大小分别为3～5μm、-500目及-1000 目。

本发明采用Ag粉、Ti粉及TiC颗粒均匀混合形成的Ag-Ti+TiC复合钎料作为连接材料，在不施加任何压力条件下实现了C_f/C复合材料与镍基高温合金的连接。钎焊过程中，活性元素Ti与C_f/C复合材料反应形成反应层，实现了冶金结合，高熔点、低膨胀系数的TiC颗粒作为增强相均匀分布在连接层内，形成了类似颗粒增强金属基复合材料的复合连接层，降低了连接层的热膨胀系数，缓解了接头的热应力，提高了接头的强度，接头室温剪切强度最高高达67.2MPa。本发明具有工艺方法简单，接头强度极高且耐温性能好，不损害母材，连接材料易制备，成本低等优点。

附图说明

图1为C_f/C复合材料与镍基高温合金接头组织扫描电镜图像，上部为镍基高温合金，下部为C_f/C复合材料，中间为连接层。

图2时C_f/C复合材料与镍基高温合金接头连接层微观组织扫描电镜图像，黑色相A为添加的TiC颗粒，浅灰色B为AgTi相，位于浅灰色内部的灰色相C为未完全溶解的Ti颗粒，白色基体D为Ag(S,S)。

具体实施方式

具体实施例1

1.采用线切割将C_f/C复合材料和镍基高温合金分别加工成5×7×3mm和3×4×3mm的方块，然后将C_f/C复合材料待焊面经400目砂纸打磨去除夹杂物，镍基高温合金表面经240 目砂纸打磨去除氧化膜，再将打磨后的C_f/C复合材料和镍基高温合金放入无水乙醇中超声波清洗5～10min；

2.按Ag：Ti＝9:1的质量比称取Ag粉和Ti粉混合成Ag-Ti活性钎料，然后再加入体积分数为8％的TiC颗粒，均匀混合形成Ag-Ti+TiC复合钎料，然后用无水乙醇调成膏状均匀涂覆在C_f/C复合材料和镍基高温合金待焊面之间，形成待焊件；

3.将待焊件放置在真空加热炉中，不施加任何压力，当真空度达到6×10^-3MPa时开始通电加热，控制升温速率为10℃/min，升温到1020℃的保温温度，保温时间为10min，保温结束后随炉冷却至室温，得到复合钎焊接头；

4.用砂纸将步骤3得到的复合钎焊接头进行打磨后抛光，制备出金相试样，采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分，扫描电镜观察金相试样显微组织形貌；

5.将步骤3得到的复合钎焊接头放入自制的剪切夹具，在电子万能试验机上进行室温剪切试验，试验机加载速率为0.5mm/min，记录接头被剪断时试验机最大的输出载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度。

具体实施例2

本实施例中，与实施例1不同的是，TiC含量为16％，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例3

本实施例中，与实施例1不同的是，TiC含量为24％，保温时间为30min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例4

本实施例中，与实施例1不同的是，TiC含量为32％，保温时间为30min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例5

本实施例中，与实施例1不同的是，Ag:Ti为19:1，TiC含量为16％，保温温度为990℃，保温时间为60min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例6

本实施例中，与实施例1不同的是，Ag:Ti为19:1，TiC含量为24％，保温温度为990℃，保温时间为60min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例7

本实施是作为对比实例，与实施例1不同的是，Ag:Ti为9:1，不添加TiC，保温温度为 1020℃，保温时间为90min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

具体实施例8

本实施是作为对比实例，与实施例1不同的是，Ag:Ti为19:1，不添加TiC，保温温度为 990℃，保温时间为60min，其余工艺条件与实施步骤均与实施例1完全相同。

表1连接实施例

实例	Ag:Ti(质量比)	TiC含量(Vol.％)	温度(℃)	时间(min)	剪切强度(MPa)
						1	9：1	8	1020	10	48.5
2	9：1	16	1020	10	48
						3	9：1	24	1020	30	67.2
4	9：1	32	1020	30	54.4
						5	19：1	16	990	60	39.1
6	19：1	24	990	60	45.7
						7	9：1	0	1020	90	30.1
8	19：1	0	990	60	31.8

表1是连接实施例，表中接头剪切强度为三个试样剪切强度数据的平均值。由表中的数据可知，采用复合钎焊连接C_f/C复合材料与镍基高温合金，接头的剪切强度比不添加TiC的普通活性钎焊有大幅度提高。当TiC含量为24％，Ag：Ti＝9:1，保温温度为1020℃，保温时间为30min时，接头的剪切强度最高，达67.2MPa。

Claims (2)

1.一种C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将C_f/C复合材料和镍基高温合金通过线切割加工成待焊母材，然后将C_f/C复合材料待焊面经400目砂纸打磨去除夹杂物，镍基高温合金表面经240目砂纸打磨去除氧化膜，再将打磨后的C_f/C复合材料和镍基高温合金放入无水乙醇中超声波清洗5～10min，取出冷风吹干备用；

步骤2.先按Ag：Ti＝9～49:1的质量比称取Ag粉和Ti粉混合成Ag-Ti活性钎料，然后再加入体积分数为8～32％的TiC颗粒，均匀混合形成Ag-Ti+TiC复合钎料，然后用无水乙醇调成膏状均匀涂覆在步骤1得到的待焊母材连接面之间，形成待焊件；

步骤3.将步骤2中得到的待焊件放置在真空加热炉中，不施加任何压力，当真空度达到6×10^-3MPa时开始通电加热，控制升温速率为10～15℃/min，升温到990～1080℃的焊接温度，保温时间10～90min，保温结束后随炉冷却至室温，得到复合钎焊接头。

2.根据权利要求1中所述的C_f/C复合材料与镍基高温合金的复合钎焊连接方法，其特征在于：所述步骤2中Ag粉、Ti粉及TiC颗粒粒径大小分别为3～5μm、-500目及-1000目。

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