CN104842064B - 一种特种连接Cf/Al复合材料与TiAl的方法 - Google Patents

Abstract

一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，涉及一种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法。本发明是要解决目前连接C_f/Al复合材料与TiAl时焊接方法加热温度高、压力大等问题导致C_f/Al复合材料中碳纤维和铝基体间发生严重界面反应、恶化母材性能，常规自蔓延连接使接头中产生大量脆性化合物，强度较低的技术问题。本发明：一、球磨混合；二、压坯；三、清洗；四、激光引燃自蔓延。本发明的优点：一、本发明方法不需要整体加热，能很好保持母材的优良特性在常温下即能完成，连接效率较高；二、本发明可以有效地缓解线膨胀系数差异所带来的残余应力，提高接头的性能、达到良好的冶金结合，能获得性能良好的接头。

Description

一种特种连接Cf/Al复合材料与TiAl的方法

技术领域

本发明涉及一种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法。

背景技术

碳纤维增强铝基复合材料(即C_f/Al复合材料)是由连续的碳纤维增强体和铝基体组成，密度约为2.19g/cm³，低于铝合金的密度，但其弹性模量和轴向抗拉强度却比铝合金高出1～3倍，是一种具有广阔应用前景的新型结构材料。同时C_f/Al复合材料还具有很低的热膨胀系数和良好的导电导热性，能在潮湿和辐射环境下保持良好的尺寸稳定性，因此被认为是航空飞行器和卫星天线的首选材料。TiAl合金同样作为一种轻质高强材料，在航空航天领域也有着较为广泛的应用。在实际应用中，不可避免的会涉及二者的连接问题。同时，C_f/Al复合材料与TiAl合金的连接可以拓宽二者的应用范围，取长补短，因此具有重要的意义。

然而，由于C_f/Al复合材料与TiAl合金在物理化学性能方面的巨大差异，二者的连接较为困难。TiAl合金熔点远高于C_f/Al复合材料，常用的焊接方法必须加热到很高的温度，此时C_f/Al复合材料中碳纤维和铝基体间发生界面反应4Al+3C＝Al₄C₃。在C_f/Al复合材料中生成大量的脆性Al₄C₃，严重破坏了母材的性能。采用扩散焊进行连接时，虽然加热温度较低，但是需要施加很高的压力，同样会破坏C_f/Al复合材料中碳纤维与基体的结合，造成母材的性能下降。钎焊连接时，可以选用熔点较低的铝基钎料，但是由于钎缝中缺少增强相，获得的接头性能较低，不能完全发挥C_f/Al复合材料的性能优点。专利CN102689096A公布了一种采用激光诱导自蔓延连接碳纤维增强铝基复合材料与金属的方法，并采用Ti-Al-C作为放热中间层，但由于Ti、Al、C之间的反应过于微弱，接头中残留有大量金属颗粒，接头强度较低。专利CN103586582A、CN103600169A公布了激光引燃自蔓延连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，分别选用Ni-Al+AgCuTi和Ni-Al-Ti作为中间层，接头中生成了大量的脆性金属间化合物，与两侧母材的物理化学性能差异明显，接头强度较低。

发明内容

本发明是要解决目前连接C_f/Al复合材料与TiAl时常规焊接方法加热温度过高、压力过大等问题导致C_f/Al复合材料中碳纤维和铝基体间发生严重界面反应、界面结合受到破坏、恶化母材性能，常规自蔓延连接使接头中产生大量脆性化合物，强度较低的技术问题，提出了一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法。

本发明的一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法是按以下步骤进行的：

一、按重量份数将45份～50份的钛粉、35份～40份的铝粉和15份～20份的硼粉混合均匀，得到混合粉体，将混合粉体置于球磨罐内，放入磨球，在氩气保护和转速为300r/min～500r/min的条件下球磨2h～3h，得到混合粉末；所述的磨球与混合粉体的质量比为5:1；

二、将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、将C_f/Al复合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂纸逐层打磨，将打磨后的C_f/Al复合材料与TiAl放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，分别得到干燥的C_f/Al复合材料与TiAl；

四、将步骤二密封保存的中间层压坯置于步骤三得到的干燥的C_f/Al复合材料与TiAl之间，装配成“三明治”式装配件，对“三明治”式装配件施加2MPa的压力，将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，即完成特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法；所述的激光的功率为100W。

本发明采用激光引燃中间层压坯，利用Al-Ti-B中间层压坯自蔓延反应放出的热量使两侧母材(C_f/Al和TiAl)局部熔化，在常温条件下实现C_f/Al复合材料与TiAl的连接。本发明中的中间层压坯燃烧放热主要来源于Ti粉与B粉间的反应：Ti+B→TiB₂。反应开始时，中间层压坯受到激光的加热，Al粉首先熔化并包裹在Ti粉和B粉周围，Al与Ti之间发生放热反应：Al+Ti→Ti-Al，生成熔融的产物并使中间层温度升高，进而诱发反应：B+Ti-Al→TiB₂+Al，生成最终产物TiB₂颗粒增强铝基复合材料。Al-Ti-B中间层中的Al虽然最后仍以单质Al的形式保留下来，但是它反应过程中作为中间媒介，使Ti和B间的反应变的容易。由于Ti与B间的反应(Ti+B→TiB₂)的化学激活能很高，因此需要对其加热到很高温度才能诱发反应。本发明中通过Al的加入，Al与Ti反应生成熔融的中间相(Ti-Al化合物)，大大提高了Ti和B原子的活性，促进了Ti与B的完全反应。同时Al在中间层产物中作为基体相，在反应过程中能起到填充孔隙的作用，提高接头的致密度。Al-Ti-B中间层反应原位合成的TiB₂颗粒增强铝基复合材料与C_f/Al复合材料、TiAl合金具有良好的物理化学相容性，其线膨胀系数介于C_f/Al复合材料和TiAl合金之间，可以有效的缓解线膨胀系数差异所带来的残余应力，提高接头的性能。同时，Al-Ti-B中间层的放热为局部放热，仅在界面附近对母材进行加热，不会破坏C_f/Al复合材料，很好地保持了母材的优良特性。

本发明的优点：

一、相对于传统的焊接方法，本发明方法不需要整体加热，在常温下用激光引燃中间层自蔓延反应后完成，连接效率较高；

二、本发明方法不需要对母材加热到很高的温度以及施加很大的压力，母材仅局部短暂受热，不会破坏C_f/Al复合材料，能很好保持母材的优良特性；

三、采用本发明方法进行C_f/Al复合材料与TiAl的连接，中间层完全反应并原位合成TiB₂颗粒增强铝基复合材料，与C_f/Al复合材料、TiAl合金具有良好的物理化学相容性，其线膨胀系数介于C_f/Al复合材料和TiAl合金之间，可以有效地缓解线膨胀系数差异所带来的残余应力，提高接头的性能；

四、本发明方法连接C_f/Al复合材料与TiAl，中间层与两侧母材达到良好的冶金结合，能获得性能良好的接头，接头强度可达76.85MPa。

附图说明

图1为本发明的特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法示意图；

图2是试验一完成特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法的接头的SEM图，区域A为TiAl，区域B为中间层压坯引燃后的产物，区域C为C_f/Al复合材料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，具体是按以下步骤进行的：

一、按重量份数将45份～50份的钛粉、35份～40份的铝粉和15份～20份的硼粉混合均匀，得到混合粉体，将混合粉体置于球磨罐内，放入磨球，在氩气保护和转速为300r/min～500r/min的条件下球磨2h～3h，得到混合粉末；所述的磨球与混合粉体的质量比为5:1；

二、将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、将C_f/Al复合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂纸逐层打磨，将打磨后的C_f/Al复合材料与TiAl放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，分别得到干燥的C_f/Al复合材料与TiAl；

四、将步骤二密封保存的中间层压坯置于步骤三得到的干燥的C_f/Al复合材料与TiAl之间，装配成“三明治”式装配件，对“三明治”式装配件施加2MPa的压力，将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，即完成特种连接 C_f/Al复合材料与TiAl的方法；所述的激光的功率为100W。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的钛粉为目数小于等于1000目且大于等于325目。其他步骤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或二之一不同点是：步骤一中所述的铝粉为目数小于等于1000目且大于等于325目。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

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点是：步骤一中所述的硼粉为目数小于等于1000目且大于等于325目。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

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点是：步骤一中所述的磨球为氧化铝球。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

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点是：步骤二中利用半自动的液压机器对步骤一得到的混合粉末进行压制，压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

采用以下试验验证本发明的优点：

试验一：本试验为一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，具体是按以下步骤进行的：

一、按重量份数将47份的钛粉、37份的铝粉和16份的硼粉混合均匀，得到混合粉体，将混合粉体置于球磨罐内，放入磨球，在氩气保护和转速为400r/min的条件下球磨2h，得到混合粉末；所述的磨球与混合粉体的质量比为5:1；

二、利用半自动的液压机器对步骤一得到的混合粉末进行压制，压制成相对密度为70％且厚度为1mm的中间层压坯，密封保存。；

三、将C_f/Al复合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂纸逐层打磨，将打磨后的C_f/Al复合材料与TiAl放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，分别得到干燥的C_f/Al复合材料与TiAl；

四、将步骤二密封保存的中间层压坯置于步骤三得到的干燥的C_f/Al复合材料与TiAl之间，装配成“三明治”式装配件，对“三明治”式装配件施加2MPa的压力，将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，即完成特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法；所述的激光的功率为100W。

本试验中的C_f/Al复合材料的增强相为直径为5μm连续碳纤维，体积分数50％，基体为6061铝合金；TiAl合金成分为Ti-48Al-7V-0.3Y(at.％)。

步骤一中所述的钛粉为500目；步骤一中所述的铝粉为500目；步骤一中所述的硼粉为500目；步骤一中所述的磨球为氧化铝球。

图2是试验一完成特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法的接头的SEM图，区域A为TiAl，区域B为中间层压坯引燃后的产物，区域C为C_f/Al复合材料，从图中可以看出中间层与两侧母材达到了很好的冶金结合，中间层完全反应且产物均匀，接头中无明显缺陷，连接质量好，强度可达76.85MPa。

Claims (3)

1.一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，其特征在于特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法是按以下步骤进行的：

一、按重量份数将45份～50份的钛粉、35份～40份的铝粉和15份～20份的硼粉混合均匀，得到混合粉体，将混合粉体置于球磨罐内，放入磨球，在氩气保护和转速为300r/min～500r/min的条件下球磨2h～3h，得到混合粉末；所述的磨球与混合粉体的质量比为5:1；步骤一中所述的钛粉为目数小于等于1000目且大于等于325目；步骤一中所述的铝粉为目数小于等于1000目且大于等于325目；步骤一中所述的硼粉为目数小于等于1000目且大于等于325目；

二、将步骤一得到的混合粉末压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存；

三、将C_f/Al复合材料和TiAl的表面用#200、#400、#600和#800的砂纸逐层打磨，将打磨后的C_f/Al复合材料与TiAl放入丙酮中超声清洗5min，取出后用电吹风吹干，分别得到干燥的C_f/Al复合材料与TiAl；

四、将步骤二密封保存的中间层压坯置于步骤三得到的干燥的C_f/Al复合材料与TiAl之间，装配成“三明治”式装配件，对“三明治”式装配件施加2MPa的压力，将激光的光斑对准中间层压坯进行引燃，待中间层压坯引燃后，立即关闭激光器，即完成特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法；所述的激光的功率为100W。

2.根据权利要求1所述的一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，其特征在于步骤一中所述的磨球为氧化铝球。

3.根据权利要求1所述的一种特种连接C_f/Al复合材料与TiAl的方法，其特征在于步骤二中利用半自动的液压机器对步骤一得到的混合粉末进行压制，压制成相对密度为60％～80％且厚度为1mm～2mm的中间层压坯，密封保存。