CN103183520A - 碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳/碳复合材料和镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法。以Ti箔、Ni箔、Cu箔等箔片作为中间层，按Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序，放在干净的碳/碳复合材料和镍基高温合金之间形成夹心结构，然后将该结构置于真空热压炉中，利用部分液相扩散法对碳/碳复合材料和镍基高温合金进行连接。升温进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面的连接；升温进行第二次部分液相连接，实现碳/碳复合材料与中间层的连接。此法实现了碳/碳复合材料和镍基高温合金的连接，且连接强度较高，接头剪切强度达14.99～26.1MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种异种材料的连接方法，具体为碳/碳复合材料与镍基高温合金的连接方法。
背景技术
碳/碳复合材料是一种战略性的高温结构材料，具有低密度、高比强度、低膨胀系数、良好的高温性能、抗烧蚀、耐腐蚀等有优异性能，在航空、航天、汽车及核能等领域有广阔应用。但是，由于碳/碳复合材料自身的脆性、难以加工成复杂部件且生产成本高，限制了其应用。因此，有必要将碳/碳复合材料与金属进行连接，以同时发挥两者的性能优势，从而节约材料、降低成本。镍基高温合金被称为发动机的心脏，广泛应用于航空、航天工业。镍基高温合金的工作温度为900℃左右，目前在航空、航天工业中主要应用于涡轮发动机的高温部件，如燃烧室的火焰筒、点火器、叶片、壳体及涡轮燃气导管等。
目前，关于碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的研究并不多，所用连接方法有钎焊、粘接、扩散焊。碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的难度在于：（1）两者的物理化学性质相差大、相容性差、界面结合差，碳/碳复合材料的界面难以润湿；（2）两者在焊接过程中产生的热应力很大，从而削弱了接头的性能。
文献1“C/C复合材料与镍基高温合金连接接头的力学性能和微观结构，郭领军，郭琛，李贺军，李克智。稀有材料与工程，2011，40(1):111-114”提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金连接的热压连接方法，该方法的连接压力大，，其剪切强度最高仅为12.6MPa。
文献2“钨酚醛树脂连接炭/炭复合材料的工艺研究，席琛，李贺军，李克智。炭素技术，2005，24（2）：17-20”提出一种碳/碳复合材料的粘接连接方法，所得接头的强度可达16.1MPa，但其高温性能差、使用温度低且强度分散。
文献3“碳/碳复合材料与镍基高温合金K24的钎焊研究，王林，王开坤，郭伟，朱颖，曲平，康慧，赖庆林。第十六次全国焊接学术会议论文摘要集”提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的钎焊方法，该方法工艺简单，但对钎料要求较高，且所得接头的强度不高。
部分瞬间液相连接法结合了扩散焊与钎焊的优势，连接温度低、需要的压力很小甚至不需要压力、工艺简单且接头的机械性能较好。本发明所用的部分瞬间液相连接法，以软金属为中间层，在一定温度产生液相润湿母材表面填充毛细间隙，形成致密的连接界面，同时有效缓解热应力，从而提高接头的剪切性能。
发明内容
为解决碳/碳复合材料与镍基高温合金难以连接的技术问题，本发明提出一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法。
一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用无水乙醇清洗碳/碳复合材料和镍基高温合金的连接面，在80～120℃的烘箱中烘干；
步骤2：将厚度为30μm的Ti箔和Ni箔的表面氧化膜打磨掉并清洗，将厚度为400μm的Cu箔进行酸洗，对所有箔片进行干燥；
步骤3：将箔片按Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金放置在镍箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后固定此结构并将其置于真空热压炉中，抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa；
步骤4：以10～15℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接；
步骤5：再以4～8℃/min的升温速度继续升温到890～1030℃，然后保温25～40min进行第二次部分瞬间液相连接，实现碳/碳复合材料与中间层的连接；
步骤6：以2～5℃/min的降温速度程序降温到600℃，然后让真空热压炉自然冷却至室温。
在步骤3置于真空热压炉后抽真空之前，先行预热。
所述预热时间为50min。
在步骤3抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa时保真空60min。
所述步骤4：以10～15℃/min的升温速度，当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa，加压完毕后将压力释放为0MPa；将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接。
本发明的碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，以Ti箔、Ni箔和Cu箔为中间层，利用部分瞬间液相连接法连接碳/碳复合材料与镍基高温合金，实现了碳/碳复合材料与镍基高温合金的连接，且接头的剪切强度较高。
本发明的有益效果是：因采用Ti箔、Ni箔和Cu箔作为中间层，利用部分瞬间液相连接的方法，实现了碳/碳复合材料与镍基高温合金的有效连接，且接头的剪切强度达14.99～26.1MPa。
附图说明
图1为1030℃下，碳/碳复合材料与镍基高温合金的接头扫描图片，从图中可以看出，碳/碳复合材料与镍基合金连接良好，中间层及界面处没有明显的缺陷。
具体实施例
下面结合具体实施例来详细说明本发明。具体实施方式：
实施例一
将15mm×10mm×4mm的碳/碳复合材料和尺寸相等的镍基高温合金在890℃下进行连接。
（1）用400#砂纸打磨碳/碳复合材料与镍基高温合金的待连接面，再用600#、800#、1000#砂纸打磨镍基高温合金。将打磨好的试样用超声波清仪器进行酒精清洗30min，然后在100℃的烘箱中干燥1h。
（2）将所有箔片剪成15mm×10mm的小片，用2000#砂纸轻轻打磨Ti箔、Ni箔表面的氧化膜并清洗，对Cu箔进行酸洗以去掉氧化膜。将清洗好的箔片在80℃的烘箱中干燥20min。
（3）将箔片按Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金置于Ni箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后包裹固定此结构并将其置于真空热压炉中，真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa。
（4）开启真空扩散泵的扩散阀，预热50min。
（5）抽真空30min，当真空热压炉炉膛中的真空度小于10-2Pa时，保真空60min，然后以11℃/min的加热速度加热。
（6）当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa。加压完毕后将压力释放为0MPa。
（7）温度升到850℃时，保温30min。
（8）步骤（7）保温结束后，再以4℃/min的升温速度加热到890℃，继续保温。
（9）当步骤(8)中的温度保持30min后，停止升温，并以2℃/min的降温速度程序降温，温度降到600℃后，关闭程序进行炉冷，在400℃时关闭扩散泵，200℃时关闭机械泵。
（10）待炉温降至室温时，开炉取出样品。
经检测，所得碳/碳复合材料与镍基高温合金接头的剪切强度为17.61MPa，压头的加载速度为0.5mm/min。
实施例二：
将15mm×10mm×4mm的碳/碳复合材料和尺寸相等的镍基高温合金在1010℃下进行连接。
（1）用400#砂纸打磨碳/碳复合材料与镍基高温合金的待连接面，再用600#、800#、1000#砂纸打磨镍基高温合金。将打磨好的试样用超声波清仪器进行酒精清洗30min，然后在100℃的烘箱中干燥1h。
（2）将所有箔片剪成15mm×10mm的小片，用2000#砂纸轻轻打磨Ti箔、Ni箔表面的氧化膜并清洗，对Cu箔进行酸洗以去掉氧化膜。将清洗好的箔片在80℃的烘箱中干燥20min。
（3）将箔片以Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金放置在Ni箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后包裹固定此结构并将其置于真空热压炉中，真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa。
（4）开启真空扩散泵的扩散阀，预热50min。
（5）抽真空30min，当真空热压炉炉膛中的真空度小于10-2Pa时，保真空60min，然后以11℃/min的加热速度加热。
（6）当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa。加压完毕后压力释放为0MPa。
（7）温度升到850℃时，保温30min。
（8）步骤（7）保温结束后，再以4℃/min的升温速度加热到1010℃，继续保温。
（9）当步骤(8)中的温度保持30min后，停止升温，并以2℃/min的降温速度程序降温，温度降到600℃后，关闭程序进行炉冷，在400℃时关闭扩散泵，200℃时关闭机械泵。
（10）到炉温降至室温时，开炉取出样品。
经检测，所得碳/碳复合材料与镍基高温合金的接头的剪切强度为26.1MPa，压头的加载速度为0.5mm/min。
实施例三：
将15mm×10mm×4mm的碳/碳复合材料和尺寸相等的镍基高温合金在1030℃下进行连接。
（1）用400#砂纸打磨碳/碳复合材料与镍基高温合金的待连接面，再用600#、800#、1000#砂纸打磨镍基高温合金。将打磨好的试样用超声波清仪器进行酒精清洗30min，然后在100℃的烘箱中干燥1h。
（2）将所有箔片剪成15mm×10mm的小片，用2000#砂纸轻轻打磨Ti箔、Ni箔表面的氧化膜并清洗，对Cu箔进行酸洗以去掉氧化膜。将清洗好的箔片在80℃的烘箱中干燥20min。
（3）将箔片以Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金放置在Ni箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后包裹固定此结构并将其置于真空热压炉中，真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa。
（4）开启真空扩散泵的扩散阀，预热50min。
（5）抽真空30min，当真空热压炉炉膛中的真空度小于10-2Pa时，保真空60min，然后以11℃/min的加热速度加热。
（6）当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa。加压完毕后将压力释放为0MPa。
（7）温度升到850℃时，保温30min。
（8）步骤（7）保温结束后，再以4℃/min的升温速度加热到1030℃，继续保温。
（9）当步骤(8)中的温度保持30min后,停止升温,并以2℃/min的降温速度程序降温，温度降到600℃后，关闭程序进行炉冷，在400℃时关闭扩散泵，200℃时关闭机械泵。
（10）到炉温降至室温时，开炉取出样品。
经检测，所得碳/碳复合材料与镍基高温合金的接头的剪切强度为18.2MPa，压头的加载速度为0.5mm/min。
经过多次对不同的升温速度（10～15℃/min），不同的保温时间（25～40min），不同的保温温度（890～1030℃）及不同的降温速度（2～5℃/min）组合的连接实验，均取得良好效果。
Claims (5)
1.一种碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用无水乙醇清洗碳/碳复合材料和镍基高温合金的连接面，在80～120℃的烘箱中烘干；
步骤2：将厚度为30μm的Ti箔和Ni箔的表面氧化膜打磨掉并清洗，将厚度为400μm的Cu箔进行酸洗，对所有箔片进行干燥；
步骤3：将箔片按Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔的顺序置于碳/碳复合材料的待连接面上，再将待连接的镍基高温合金放置在镍箔上，形成碳/碳复合材料/Ti箔/Ni箔/Cu箔/Ni箔/镍基高温合金的夹心结构，然后固定此结构并将其置于真空热压炉中，抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa；
步骤4：以10～15℃/min的升温速度，将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接；
步骤5：再以4～8℃/min的升温速度继续升温到890～1030℃，然后保温25～40min进行第二次部分瞬间液相连接，实现碳/碳复合材料与中间层的连接；
步骤6：以2～5℃/min的降温速度程序降温到600℃，然后让真空热压炉自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于：在步骤3置于真空热压炉后抽真空之前，先行预热。
3.根据权利要求3所述碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于：所述预热时间为50min。
4.根据权利要求1所述碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于：在步骤3抽真空使得真空热压炉炉膛中的真空度低于10-2Pa时保真空60min。
5.根据权利要求1所述碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法，其特征在于：所述步骤4：以10～15℃/min的升温速度，当温度升到800℃时，进行加压5min，所施加压力为4.5MPa，加压完毕后将压力释放为0MPa；将真空热压炉炉膛温度由室温升到850℃并保温30min，进行第一次部分瞬间液相连接，实现金属界面间的连接。
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