CN108329047A - 一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法 - Google Patents

一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复合材料连接技术领域，具体公开了一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法，通过在一个变径圆柱体结构的连接头上均匀涂抹连接剂，将两个SiCf/SiC复合材料管件紧密连接在一起，然后通过真空烧结、精磨加工，得到复合材料连接管件成品。本发明连接结构及方法不改变复合材料管件的外观结构，对材料的损伤作用降到最小，且通过本发明得到的产品抗氧化性能好，耐腐蚀。

Description

一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法
技术领域
本发明属于复合材料连接技术领域，具体涉及一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法。
背景技术
SiC复合材料具有耐高温、低密度、高比强、抗氧化性好、耐腐蚀和不发生灾难性损毁等优点，是具有广泛应用前景的耐高温、长寿命的热结构/功能材料。SiC复合材料包壳作为一种新概念包壳，相对于传统的锆合金包壳，以碳化硅复合材料制成的燃料包壳具有明显的优势，是一种非常有应用前景的包壳材料，并已取得各国核材料研究者的共识。
但由于碳化硅复合材料薄壁管件制备工艺的限制，实现大型、精密、复杂管件十分困难。因此，研究开发可靠的连接技术，对碳化硅复合材料包壳管的应用具有重要意义。现有的碳化硅复合材料的链接方法主要包括金属钎焊、过度液相扩散连接或通过材料的自身变形产生压合等。
其中，金属钎焊是较为常见的连接方式，由于钎焊材料接头热膨胀系数与母体材料不同，容易导致在接点区域产生应力集中，受热时接头会出现损伤，而且钎料的熔点比较低，钎焊接头的使用温度一般不超过500℃，无法满足碳化硅复合材料管件应用环境的温度需求。
过度液相扩散连接是采用比母材熔点低的金属材料作为中间夹层，在加热到一定温度是中间夹层的金属全部成为液相，并在一段时间后均匀扩散渗透到母材内部，温度降低后液相凝固而将母材连接。连接时需要在接头界面之间填充金属材料，为了满足中间材料与碳化硅复合材料的装配要求，往往需要对碳化硅复合材料构件外观尺寸进行加工，难免损伤复合材料的结构，而金属中间层在1250℃时会发生脱离现象，不能满足碳化硅复合材料在反应堆内的连接需求。
通过材料自身变形产生压合金属材料具有良好的延展性，可以通过自身变形产生压合实现构件的连接，但碳化硅复合材料管件延展性差，无法采用此种连接工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构及方法，实现SiCf/SiC复合材料管件的可靠连接。
本发明的技术方案如下：
一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构，用于连接两个SiCf/SiC复合材料管件，包括一个连接头；
所述的连接头为变径圆柱体结构，包括一个中间部和分别设于中间部两侧的两个头部，中间部与两个头部同轴；
所述中间部的直径与复合材料管件的外径相同，头部的直径比复合材料管件的内径小0.3～1mm。
所述连接头的材料为钛纯度≥99.99％的纯钛棒。
一种采用所述连接结构的SiCf/SiC复合材料管件连接方法，包括以下步骤：
步骤1，制作连接头
将钛棒通过机械加工制作成变径圆柱体结构的连接头；
步骤2，连接剂制备
将钛粉和碳化硅粉末放入酚醛树脂酒精溶剂中混合均匀，得到连接剂；其中，钛：碳化硅原子比为8：1，固体含量在60％以上；
步骤3，管件连接
在连接头与复合材料管件相接的位置均匀涂抹连接剂，将连接头的两侧头部分别插入两根复合材料管件的内部，保证连接处紧密贴合，得到连接管件；
步骤4，真空烧结
将连接管件放入真空烧结炉中，进行烧结。
还包括步骤5，精磨加工，对烧结后的连接管件进行表面精磨加工，得到复合材料连接管件成品。
步骤1中，所述的钛棒为钛纯度≥99.99％的纯钛棒。
步骤2中，钛粉纯度≥99.99％，粒度为50～100um。
步骤2中，碳化硅粉末的纯度≥99.99％，粒度为5～15um。
步骤4中，在真空度小于10-1Pa，温度为1600～1800℃下，保温4小时。
本发明的显著效果在于：
(1)本发明连接结构及方法不改变复合材料管件的外观结构，对材料的损伤作用降到最小。
(2)本发明连接结构的碳化硅管件与连接头界面产物为碳化钛和硅化钛，性质稳定，熔点高，可以满足管件在高温环境的连接需求，尽可能减少了外来产物对管件性能的影响。
(3)本发明连接结构的碳化硅管件与连接头界面生成碳、硅、钛组成的反应层，与碳化硅材料紧密结合，使连接处连接效果好。
(4)通过本发明得到的产品抗氧化性能好，耐腐蚀。
附图说明
图1为连接头示意图；
图2为连接结构整体示意图。
图中：1.头部；2.中间部。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示的一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构，用于连接两个SiCf/SiC复合材料管件，包括一个连接头。
所述的连接头为变径圆柱体结构，包括一个中间部2和分别设于中间部2两侧的两个头部1，中间部2与两个头部1同轴。所述中间部2的直径与复合材料管件的外径相同，头部1的直径比复合材料管件的内径小0.3～1mm。
所述连接头的材料为钛纯度≥99.99％的纯钛棒。
一种采用所述连接结构的SiCf/SiC复合材料管件连接方法，包括以下步骤：
步骤1，制作连接头。
将钛纯度≥99.99％的纯钛棒通过机械加工制作成变径圆柱体结构的连接头。
步骤2，连接剂制备。
将钛粉和碳化硅粉末放入酚醛树脂酒精溶剂中混合均匀，得到连接剂。其中，钛：碳化硅原子比为8：1，固体含量在60％以上；钛粉纯度≥99.99％，粒度为50～100um；碳化硅粉末的纯度≥99.99％，粒度为5～15um。
步骤3，管件连接。
在连接头与复合材料管件相接的位置均匀涂抹连接剂，将连接头的两侧头部1分别插入两根复合材料管件的内部，保证连接处紧密贴合，得到连接管件。
步骤4，真空烧结。
将连接管件放入真空烧结炉中，在真空度小于10-1Pa，温度为1600～1800℃下，保温4小时。
步骤5，精磨加工。
对烧结后的连接管件进行表面精磨加工，得到复合材料连接管件成品。
实施例
本实例需要连接的碳化硅复合材料管件内径为10mm，外径为12mm，两根长度均为50mm。
步骤1，制作连接头。
将钛纯度≥99.99％的纯钛棒通过机械加工制作成变径圆柱体结构的连接头，头部1的直径为9.7mm，中间部2的直径为12mm。
步骤2，连接剂制备。
将钛粉和碳化硅粉末放入酚醛树脂酒精溶剂中混合均匀，得到连接剂。其中，钛：碳化硅原子比为8：1，固体含量在60％以上；钛粉纯度≥99.99％，粒度为100um；碳化硅粉末的纯度≥99.99％，粒度为15um。
步骤3，管件连接。
在连接头与复合材料管件相接的位置均匀涂抹连接剂，将连接头的两侧头部1分别插入两根复合材料管件的内部，保证连接处紧密贴合，得到连接管件。
步骤4，真空烧结。
将连接管件放入真空烧结炉中，在真空度小于10-1Pa，温度为1650℃下，保温4小时。
步骤5，精磨加工。
对烧结后的连接管件进行表面精磨加工，得到复合材料连接管件成品。
本实例得到的连接件经过微观检测，可以看到连接头与碳化硅管件之间结合紧密，连接可靠。

Claims (8)

1.一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构，用于连接两个SiCf/SiC复合材料管件，其特征在于：包括一个连接头；
所述的连接头为变径圆柱体结构，包括一个中间部(2)和分别设于中间部(2)两侧的两个头部(1)，中间部(2)与两个头部(1)同轴；
所述中间部(2)的直径与复合材料管件的外径相同，头部(1)的直径比复合材料管件的内径小0.3～1mm。
2.如权利要求1所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接结构，其特征在于：所述连接头的材料为钛纯度≥99.99％的纯钛棒。
3.一种采用如权利要求2所述连接结构的SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，制作连接头
将钛棒通过机械加工制作成变径圆柱体结构的连接头；
步骤2，连接剂制备
将钛粉和碳化硅粉末放入酚醛树脂酒精溶剂中混合均匀，得到连接剂；其中，钛：碳化硅原子比为8：1，固体含量在60％以上；
步骤3，管件连接
在连接头与复合材料管件相接的位置均匀涂抹连接剂，将连接头的两侧头部(1)分别插入两根复合材料管件的内部，保证连接处紧密贴合，得到连接管件；
步骤4，真空烧结
将连接管件放入真空烧结炉中，进行烧结。
4.如权利要求3所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：还包括步骤5，精磨加工，对烧结后的连接管件进行表面精磨加工，得到复合材料连接管件成品。
5.如权利要求4所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：步骤1中，所述的钛棒为钛纯度≥99.99％的纯钛棒。
6.如权利要求5所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：步骤2中，钛粉纯度≥99.99％，粒度为50～100um。
7.如权利要求6所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：步骤2中，碳化硅粉末的纯度≥99.99％，粒度为5～15um。
8.如权利要求7所述的一种SiCf/SiC复合材料管件连接方法，其特征在于：步骤4中，在真空度小于10-1Pa，温度为1600～1800℃下，保温4小时。
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