CN105016761B

CN105016761B - 一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法

Info

Publication number: CN105016761B
Application number: CN201410177477.7A
Authority: CN
Inventors: 董绍明; 陈杰; 张翔宇; 阚艳梅; 高乐; 胡建宝; 丁玉生
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Jiaxingrui Innovative Materials Co ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN105016761A

Abstract

本发明涉及一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法包括：1）将Cu粉、Al粉、Ti源混合均匀，得到钎料粉末，加入粘结剂配制成钎料膏，其中，Ti源为Ti粉或TiH₂粉；2）将步骤1）中制备的钎料膏涂覆在经表面预处理的C/SiC复合材料之间，制成C/SiC‑钎料膏‑C/SiC结构的预连接件；3）将步骤2）中制备的预连接件干燥后，移至真空钎焊炉中进行钎焊。

Description

一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法

技术领域

本发明涉及一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，具体涉及一种通过Cu-Ti-Al活性钎料实现对C/SiC复合材料焊接的方法。

背景技术

C/SiC复合材料具有低密度、高强度、高模量、高热导、耐辐射、韧性好、高温力学性能优异等特点，在航空航天、新能源及交通运输等高技术领域具有广阔的应用前景。但欲实现C/SiC复合材料的工程应用，则需要制备复杂形状构件、修复受损材料以及进行封装等，这些会涉及到材料的连接。目前C/SiC复合材料的连接方式主要有机械连接、粘接、先驱体转化、反应成型、固相扩散、钎焊、在线液相渗透等，其中钎焊连接具有工艺简单、接头适用温度较高、密封性能好等优点，是一种非常具有实用价值和发展前景的连接方法。

从目前的公开报道来看，有关C/SiC复合材料钎焊连接的研究主要集中在C/SiC复合材料与金属的异质材料连接方面，而关于C/SiC复合材料自身之间的钎焊连接却鲜有报道。由于受C/SiC复合材料制备工艺限制，材料很难达到致密，通常存在裂纹和气孔等本征缺陷，孔隙率达到10％～20％。这样在钎焊连接过程中易导致在焊缝区形成气孔，同时易使熔化的焊料过多地渗入C/SiC复合材料内部，造成焊缝区残余的焊料太少，从而影响焊接质量，甚至导致连接失败。此外，C/SiC复合材料具有各向异性的特点，对其自身进行钎焊连接时，接头处于复杂的应力场，影响接头性能的因素也更加复杂。上述因素导致实现C/SiC复合材料自身有效的钎焊连接更加具有挑战性。采用传统的低温钎料获得的接头高温强度差，不适于高温条件下应用；而采用高温钎料则需在较高的温度下进行连接，如镍基焊料的连接温度通常高于1100℃，对母材损伤大。因此迫切需要开发一种能够在较低温度(1000℃左右)下实施连接，而接头又具有良好高温强度的钎焊连接方法。

发明内容

本发明旨在克服现有C/SiC复合材料焊接方法的缺陷，本发明提供了一种通过Cu-Ti-Al活性钎料实现对C/SiC复合材料低温焊接的方法。

本发明提供了一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法包括：

1)将Cu粉、Al粉、Ti源混合均匀，得到钎料粉末，加入粘结剂配制成钎料膏，其中，Ti源为Ti粉或TiH₂粉；

2)将步骤1)中制备的钎料膏涂覆在经表面预处理的C/SiC复合材料之间，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC结构的预连接件；

3)将步骤2)中制备的预连接件干燥后，移至真空钎焊炉中进行钎焊。

本发明提供的钎焊连接，采用含有Cu、Al、和Ti的钎料，由于采用Cu基体，具有导热性、耐腐蚀性好，对母材损伤较小等优点。该钎料不会像Ti基钎料那样基体做为活性组分，在较高温度下长时间服役时与母材发生过量的反应，生成脆性物质而对接头产生持续损伤。钎料中Al元素一方面可以降低钎焊实施温度从而减小能耗和对母材的损伤，另一方面可以提高钎料的流动性及抗氧化性能，并促进SiC基复合材料与钎料之间的元素相互扩散。钎料中Ti元素主要有两方面作用。首先，通过与SiC基复合材料形成化学键合，提高钎料对母材的润湿性从而增大连接强度。其次，Ti元素可以与钎料中Al元素以及从母材扩散到钎料中的Si、C等元素发生反应，原位形成碳化钛、硅铝和硅钛化合物等粒子或晶须耐高温增强相，从而提高钎焊接头的连接强度尤其是高温强度。

较佳地，所述钎料粉末中，Al粉的重量百分含量为1wt％～10wt％，优选3wt％～10wt％，更优选4wt％-7wt％；钛源的百分含量为4wt％～18wt％，优选7wt％-15wt％；余量为Cu粉。

较佳地，所述钎料膏中粘结剂的加入量为所述钎料粉末的45wt％～80wt％，优选50wt％～60wt％。若粘结剂太多，钎料膏中钎料粉末的含量太少而且不易涂覆；反之则达不到粘结作用而且容易在焊缝中形成孔洞。

较佳地，步骤1)中，粘结剂采用浓度为1wt％～8wt％的聚乙烯缩丁醛的环己酮溶液。

较佳地，步骤2)中，涂覆在C/SiC复合材料表面的钎料膏的厚度为0.5～3mm。

较佳地，步骤3)中，焊接温度为900℃～1080℃，优选950℃～1020℃。具体焊接温度由具体钎料组成决定，一般来说，钎料中钛和铝含量越高，所需焊接温度越低；反之所需焊接温度越高。

较佳地，步骤3)中，钎焊的保温时间为1～30分钟，真空度高于1.0×10^-2Pa。

本发明的有益效果：

工艺简单易行，连接过程不需或只需施加很小的压力；连接实施温度较低，对母材损伤小；接头强度，特别是高温强度高。

附图说明

图1为本发明的一个实施方式中三维针刺C/SiC复合材料钎焊接头的光学显微镜照片；

图2为本发明的一个实施方式中三维针刺C/SiC复合材料钎焊接头焊缝区的XRD图谱；

图3为测试试样剪切强度的装置；

图4为本发明的一个实施方式中C/SiC复合材料钎焊接头的剪切强度测试结果。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明涉及C/SiC复合材料的钎焊连接方法，属于陶瓷基复合材料领域。本发明公开了一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法通过Cu-Ti-Al活性钎料的组成设计，改善其对C/SiC复合材料的润湿性，利用钎料中的活性组分Ti与复合材料成分间原位反应生成的陶瓷相提高焊接区的耐温性能和高温强度，最终提供一种简单、可靠且具有应用价值的C/SiC复合材料钎焊连接方法。包括四个步骤：(1)配制Cu-Ti-Al钎料膏；(2)对C/SiC复合材料待焊接面进行打磨、清洗和干燥处理；(3)在步骤(2)处理后的C/SiC复合材料表面涂覆Cu-Ti-Al钎料膏，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC三明治结构的预连接件，并进行干燥；(4)将干燥后的预连接件移至真空钎焊炉进行连接。本方法可以在低于1000℃的温度下实施连接，且连接接头具有较高的高温强度。

一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，所述方法包括如下步骤：

(1)按照设计组成称取Cu粉、Ti(或TiH₂)粉和Al粉，在玛瑙研钵中研磨混合均匀后，加入粘结剂(例如聚乙烯缩丁醛(PVB)的环己酮溶液)再混合均匀，配制成钎料膏；

(2)将C/SiC复合材料待焊接表面打磨平整，然后清洗干净、干燥；

(3)在经过步骤(2)处理的C/SiC复合材料表面涂覆钎料膏，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC三明治结构的预连接件，放入干燥箱中进行干燥；

(4)将步骤(3)中的预连接件移至真空钎焊炉中，进行连接。

Cu-Ti-Al钎料中Ti(或TiH₂)的含量可为4wt％～18wt％，优选7wt-15wt％；Al的含量为3wt％～10wt％，优选4wt％-7wt％；其余为Cu。

Ti元素的来源为金属Ti或TiH₂。

粘结剂PVB环己酮溶液的浓度可为1wt％～8wt％，优选2wt％-5wt％，添加量可为钎料重量的45％～80％。

在C/SiC复合材料表面涂覆的钎料膏的厚度为0.5～3mm，优选1～2.5mm。

所述的一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，焊接温度为900℃～1080℃，优选950～1020℃，保温时间可为1min～30min，真空度高于1.0×10^-2Pa。

钎焊过程中钎料中的Ti组分与复合材料成分之间发生原位反应形成具有颗粒状、片状或晶须状的耐高温陶瓷增强相。

Cu基钎料具有流动性、导热性好，耐腐蚀，对C/SiC损伤小，价格相对便宜、适于大规模应用等优点，发展前景较好。若能通过调节Cu基钎料中的组分来降低钎焊实施温度而提高接头的高温强度，将具有非常种重要的现实意义。

该钎焊连接方法的机理为：

通过钎料中Ti元素与C/SiC复合材料表面形成化学键合，改善钎料对母材的润湿性，从而提高界面结合强度。通过钎料中Al元素提高钎料流动性，使C/SiC复合材料中的C和Si元素更容易扩散到钎料内部并与钎料中Ti元素发生化学反应，原位生成碳化钛、硅钛化合物等颗粒状、片状或晶须状的耐高温陶瓷增强相，以提高接头强度尤其是高温强度。

本发明的优点是：工艺简单易行，连接过程不需或只需施加很小的压力；连接实施温度较低，对母材损伤小；接头强度，特别是高温强度高。

图3为测试试样剪切强度的装置；

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的温度、时间等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

本实施例C/SiC复合材料的钎焊连接包括如下步骤：

(1)按照设计组成称取Cu粉、TiH₂粉和Al粉，其中TiH₂的含量为10wt％，Al的含量为5wt％，其余为Cu，三者纯度均为99.0％，(注：该含量为未加入粘结剂前的粉末含量)，在玛瑙研钵中研磨混合均匀后，加入聚乙烯缩丁醛(PVB)的环己酮溶液再混合均匀，配制成钎料膏。粘结剂PVB环己酮溶液的浓度为2wt％，粘结剂添加量为钎料重量的50％；

(2)将三维针刺C/SiC复合材料(纤维体积分数27％～28％，体积密度1.88g/cm³，开口气孔率15.0vol％)用金刚石切割机切成块状，用400目砂纸将其表面打磨平整，分别在酒精和丙酮中超声清洗，然后干燥；

(3)在经步骤(2)处理后的C/SiC复合材料表面涂覆钎料膏，涂覆的钎料膏的厚度为1mm，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC的三明治结构的预连接件，放入干燥箱中进行干燥；

(4)将步骤(3)中得到的预连接件移至真空钎焊炉中，进行连接。焊接温度为960℃，保温时间为10min，真空度为1.0×10^-2Pa。

所得接头的显微结构如图1所示，由图可见，焊接区的显微结构均匀致密，无明显缺陷。焊缝区的成分如图2的XRD图谱所示，可以发现焊缝区除金属外，还存在原位反应生成的TiC和SiC陶瓷相。采用压缩剪切方法测试试样的剪切强度，压头加载速率为0.5mm/min,测试装置如图3所示。试样在室温、600℃和800℃的剪切强度分别为108MPa、49MPa和22MPa，测试结果如图4所示。通过采用尺寸20mm×20mm×5mm的C/SiC板焊封直径为10mm的孔，经4MPa液压测试，接头处无明显液体外渗现象，接头密封性能良好。钎焊接头在真空800℃处理6小时后，室温剪切强度没有出现降低现象，即在服役过程中不会发生明显的性能退变。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例所采用的钎料组成为10wt％Ti，5wt％Al，其余为Cu。其它步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为65MPa。

实施例3

本实施例与实施例一的不同点在于本实施例所采用的粘结剂为浓度7.8wt％，钎焊温度为1020℃，保温时间为10min。其它步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为94MPa。

实施例4

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例所采用的钎料组成为16wt％TiH₂，5wt％Al，其余为Cu，钎焊温度为950℃，保温时间为10min。其它步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为73MPa。

实施例5

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为10wt％TiH₂，3wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为990℃，保温时间为10min。其它步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为110MPa。

实施例6

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为10wt％TiH₂，2wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为1050℃，保温时间为30min。其它步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为58MPa。

实施例7

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为8wt％TiH₂，2wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为1060℃，保温时间为10min。其他步骤和参数与实施例1相同。所得接头室温剪切强度为38MPa。

实施例8

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为5wt％TiH₂，5wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为1050℃，保温时间为30min。其他步骤和参数与实施例1相同。所得接头室温剪切强度为17MPa。

实施例9

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为5wt％TiH₂，2wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为1060℃，保温时间为10min。其他步骤和参数与实施例1相同。所得接头室温剪切强度为45MPa。

实施例10

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为4wt％TiH₂，1wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为1060℃，保温时间为10min。其他步骤和参数与实施例1相同。所得接头室温剪切强度为25MPa。

实施例11

本实施例与实施例1的不同点在于本实施例采用的钎料组成为10wt％TiH₂，8wt％Al，其余为Cu。钎焊温度为930℃，保温时间为10min。其他步骤和参数与实施例1相同。所得接头的室温剪切强度为54MPa。

本发明中的工艺简单易行，连接过程不需或只需施加很小的压力；连接实施温度较低，对母材损伤小；接头强度，特别是高温强度高。

Claims

1.一种C/SiC复合材料的钎焊连接方法，其特征在于，所述方法包括：

1）将Cu粉、Al粉、Ti源混合均匀，得到钎料粉末，加入粘结剂配制成钎料膏，其中，Ti源为Ti粉或TiH₂粉，所述钎料粉末中，Al粉的重量百分含量为1～10wt%，钛源的百分含量为4～18wt%，余量为Cu粉；

2）将步骤1）中制备的钎料膏涂覆在经表面预处理的C/SiC复合材料之间，制成C/SiC-钎料膏-C/SiC结构的预连接件；

3）将步骤2）中制备的预连接件干燥后，移至真空钎焊炉中进行钎焊。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钎料粉末中，Al粉的重量百分含量为3～10wt%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钎料膏中粘结剂的加入量为所述钎料粉末的45～80wt%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，粘结剂采用浓度为1～8wt%的聚乙烯缩丁醛的环己酮溶液。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，涂覆在C/SiC复合材料表面的钎料膏的厚度为0.5～3mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）中，焊接温度为900℃～1080℃。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3）中，焊接温度为950℃～1020℃。

8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，步骤3）中，钎焊的保温时间为1～30分钟，真空度高于1.0×10^-2Pa。