C-C復合材料與Nb釬焊工藝及機理研究.pdf

1、C/C復合材料具有密度小、質量輕,且高溫性能優(yōu)異的特點,實現其和Nb的可靠連接并應用飛行器發(fā)動機噴管等結構件具有無與倫比的優(yōu)越性。低密度C/C(1.5g/cm3)可應用于具有較大推重比要求的航天發(fā)動機噴管,而高密度C/C(2.0g/cm3)可以滿足航天發(fā)動機在大功率長時間的苛刻工作條件下的性能要求,具有廣泛的應用價值。本文使用TiNi釬料對低密度C/C和Nb進行了連接,優(yōu)化了連接工藝,獲得了可靠的連接強度。針對高密度C/C與Nb焊后C/

2、C近焊縫區(qū)出現碎裂區(qū)域、強度低等問題設計了3-D界面結構增強了接頭的力學性能。
　　采用Ti50:Ni50復合釬料箔對低密度C/C和Nb進行了釬焊連接,接頭的界面結構從復合材料側至Nb側可表示為:C/C復合材料/TiC+(Ti,Nb)C反應層/(Ti,Nb)2Ni層/(Ti,Nb)2Ni顆粒+TiNi-(Nb,Ti)共晶/Nb。釬縫的力學性能受到釬縫組織的變化以及C/C側界面反應層厚度的影響。當釬焊溫度T=1200℃,t=20mi

3、n時,接頭的抗剪強度最高達到44MPa,此時接頭在600℃時的高溫力學性能為36MPa,達到母材強度的90％。接頭的斷裂失效主要發(fā)生在TiC和(Ti,Nb)C界面反應層和C/C復合材料近界面處。由于滲入釬料的作用,斷口呈現出凹凸不平的形貌。
　　高密度C/C與Nb焊后接頭在C/C近焊縫區(qū)出現碎裂,且接頭強度較低僅為17MPa。為實現其可靠連接,設計了3-D界面結構處理工藝,即采用鉆孔、激光燒蝕孔洞、針扎以及激光燒蝕孔洞和針扎的復合

4、方法對高密度C/C待焊表面3-D界面處理后進行釬焊連接。試驗發(fā)現C/C與釬料3-D界面結構可以顯著提高接頭的力學性能。激光燒蝕孔洞方法焊后3-D界面孔洞前端在激光束的燒蝕下較為疏松,釬料的滲入形成了良好的結合。而針扎時孔壁上存在著裸露C纖維,釬料滲入形成的“釘扎”效應也可以得到較好的結合界面。復合3-D界面結構制備方法綜合了上述兩者的優(yōu)點,接頭的抗剪強度達到了92MPa,為平直界面的440%,接頭斷裂發(fā)生在C/C母材近3-D界面處。接頭

5、在600℃時的高溫抗剪強度可以達到68MPa,接頭斷裂模式為沿著C/C母材近3-D界面處開裂和孔洞中釬料被剪斷的混合模式。
　　探討了3-D界面結構對接頭力學性能的增強機理。采用理論計算的方法對3-D界面結構過渡區(qū)域的接頭殘余應力和平直界面進行了對比發(fā)現,采用復合方式對待焊表面進行3-D界面處理后,焊后接頭過渡區(qū)域的殘余應力相比于平直界面的殘余應力值降低了20%。3-D界面過渡區(qū)域的作用為實現了接頭中熱膨脹系數和彈性模量的梯度過渡