CN100376353C - 碳碳复合材料与钛合金焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤：选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti和Cu中间层，并清洁处理碳碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；将碳碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳碳复合材料+Ti和Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；对扩散焊炉内抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02～0.1MPa，并保持，然后以5～8℃/min的速度升温至焊接温度910～1000℃，保持5～20min，然后将焊接压力升至2～4MPa，并保持20～40min，以5～7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。由于Ti和Cu中间层的使用，实现了碳碳复合材料与钛合金的大面积焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳碳复合材料与钛合金焊接方法。
背景技术
碳纤维增韧碳基复合材料(以下简称碳碳复合材料)是新一代战略性热结构材料，具有散热快(高导热)，温度上升慢(高比热容)，耐高温，质量轻，耐久性好等优点，适用于制造高速车辆和飞机的制动部件、导弹头、火箭的鼻锥和喷嘴喉衬、航天飞机的鼻锥和翼前缘以及透平引擎部件等。将碳碳复合材料和金属焊接在一起，可以充分利用其与金属在性能、加工方面的互补优势，满足零部件制造的高性能化、精密化的要求。可以认为，碳碳复合材料与钛合金的焊接，是实现碳碳复合材料在空间技术和航空技术成功应用的关键技术之一。
碳碳复合材料和金属的焊接是困难的，第一，要解决好焊接性问题，即焊料需要具备良好的流动性和润湿性，以便渗入到碳碳复合材料内部间隙中实现机械咬合，并和碳碳复合材料中的碳和碳纤维实现钎合或反应结合生成化合物。第二，由于碳碳复合材料的线膨胀系数很小，约为1×10-6K-1，仅为金属的1/6～1/16，焊接接头由于热膨胀失配所引起的热应力，需要得到释放、缓解或转移。事实上，热应力是导致碳碳复合材料与金属焊接成败的关键因素。
文献“《复合材料的焊接》，陈茂爱，陈俊华，高进强著，北京：化学工业出版社，2005年1月，p80-87”介绍了碳碳复合材料与金属Al、金属Cu之类延展性好的软金属的连接，如碳碳复合材料与无氧铜的钎焊，采用金属Ti作钎料，利用Ti和被焊金属Cu产生Ti-Cu共晶液相来实现。但是，采用上述方法直接钎焊碳碳复合材料与钛合金等金属，只能进行200mm2以下的小面积焊接，对于大面积焊接，往往会导致焊接接头因热应力而开裂失效。
发明内容
为了克服现有技术不能对碳碳复合材料与钛合金进行大面积焊接的不足，本发明提供一种碳碳复合材料与钛合金焊接方法，可实现碳碳复合材料与钛合金的高强度连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤：
1)选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti和Cu中间层，并清洁处理碳碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；
2)将碳碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳碳复合材料+Ti和Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；
3)对扩散焊炉内抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02～0.1MPa，并保持，然后以5～8℃/min的速度升温至焊接温度910～1000℃，保持5～20min，然后将焊接压力升至2～4MPa，并保持20～40min，以5～7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
本发明的有益效果是：由于在碳/碳复合材料与钛合金之间放置Ti/Cu中间过渡层，Ti和Cu发生共晶反应，生成低熔点液态金属，该液态金属润湿并扩散、渗入到碳/碳复合材料基体中，同时与碳/碳复合材料中的碳、碳纤维发生化学反应产生化学键合；随着Cu的继续扩散进入液态金属中，导致其熔点升高并最终因其熔点高于焊接温度而发生凝固，冷却后实现机械咬合与化学反应相结合的连接机制；Cu中间层与钛合金则实现扩散焊冶金结合，从而实现碳/碳复合材料与钛合金的大面积焊接。
下面通过实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
本发明碳/碳复合材料与钛合金焊接方法，主要是在碳/碳复合材料与钛合金之间放置中间过渡层，该中间层由0.05～0.10mm的Ti箔和0.4～0.8mm厚的Cu板叠加组成Ti/Cu中间层结构，从而形成碳/碳复合材料+Ti/Cu+钛合金的焊接结构。在碳/碳复合材料与钛合金之间施加一定的焊接压力，在真空扩散焊炉中升温到焊接温度，并保温一定时间。在此期间，在碳/碳复合材料与中间层之间发生瞬间液相扩散焊，即Ti和Cu发生共晶反应，生成低熔点液态金属，该液态金属润湿并扩散、渗入到碳/碳复合材料基体中，同时与碳/碳复合材料中的碳、碳纤维发生化学反应产生化学键合。随着Cu的继续扩散进入液态金属中，导致其熔点升高并最终因其熔点高于焊接温度而发生凝固，即发生了“等温凝固”现象。冷却后实现机械咬合与化学反应相结合的连接机制。Cu中间层与钛合金则实现扩散焊冶金结合。
实施例1：焊接面积为900mm2的碳/碳复合材料与工业纯钛TA3的焊接。
选取厚度为0.018μm的Ti箔、总厚度为0.4μm的Cu箔。
打磨碳/碳复合材料待焊面，并在无水乙醇溶剂中超声波清洗除油去污并冲刷洁净。在无水乙醇溶剂中超声波清洗Cu箔。酸洗Ti箔和工业纯钛TA3去除表面氧化膜，并和Cu箔一起，在去离子水中超声波清洗冲刷洁净。
晾干后的碳/碳复合材料、Ti箔、Cu箔和工业纯钛TA3进行焊前装卡，组合成碳/碳复合材料+Ti/Cu+TA3的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，施加预压力将焊件压实。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02MPa，并保持，然后以8℃/min的速度升温至焊接温度910℃，保温5min，实现碳/碳复合材料与Ti/Cu中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至2MPa，并保持20min，实现Ti/Cu中间层与工业纯钛TA3的扩散焊。最后以7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与工业纯钛TA3的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为26MPa。
实施例2：焊接面积为1200mm2的碳/碳复合材料与Ti-6Al-4V钛合金的焊接。
选取厚度为0.03μm的Ti箔、厚度为0.6μm的Cu板。
打磨、清洗、装卡方法同实施例1。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.08MPa，并保持，然后以7℃/min的速度升温至焊接温度960℃，保温10min，实现碳/碳复合材料与中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至3MPa，并保持30min，实现中间层与钛合金扩散焊。最后以6℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与Ti-6Al-4V钛合金的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为28MPa。
实施例3：焊接面积为1600mm2的碳/碳复合材料与Ti-3Al-7Mo-11Cr钛合金的焊接。
选取厚度为0.16μm的Ti箔、厚度为0.8μm的Cu板。
打磨、清洗、装卡方法同实施例1。
关闭真空室门，抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.1MPa，并保持，然后以5℃/min的速度升温至焊接温度1000℃，保温20min，实现碳/碳复合材料与中间层间的瞬间液相扩散焊；然后将焊接压力升至4MPa，并保持40min，实现中间层与钛合金扩散焊。最后以5℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
经过对焊接后碳/碳复合材料与Ti-3Al-7Mo-11Cr钛合金的接头用压剪方式进行测试，其剪切强度为34MPa。
Claims (1)
1.一种碳碳复合材料与钛合金焊接方法，包括下述步骤：
1)选择0.018～0.16μm的Ti箔和0.4～0.8μm厚的Cu箔或者Cu板叠加组成Ti和Cu中间层，并清洁处理碳碳复合材料与钛合金的焊接面以及Ti箔、Cu箔或者Cu板；
2)将碳碳复合材料、Ti箔、Cu箔或者Cu板、钛合金组合成碳碳复合材料+Ti和Cu+钛合金的焊接结构，并置于真空扩散焊炉内上、下压头之间，并施加预压力将焊件压实；
3)对扩散焊炉内抽真空至6.3×10-3Pa，施加焊接压力为0.02～0.1MPa，并保持，然后以5～8℃/min的速度升温至焊接温度910～1000℃，保持5～20min，然后将焊接压力升至2～4MPa，并保持20～40min，以5～7℃/min的速度降温至500℃后，卸压，并随炉冷却至室温。
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