CN112457042A - 一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构及连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构及连接方法，所述连接结构包括金属孔板(1)，带有翻边结构的陶瓷复材管(2)和由低膨胀金属制成的环状过渡结构(3)，其中所述陶瓷复材管(2)插入所述金属孔板(1)中，所述过渡结构(3)套在所述陶瓷复材管(2)翻边区外圆周，所述过渡结构(3)/陶瓷复材管(2)间以及所述过渡结构(3)/金属孔板(1)间通过填加钎料(4)进行钎焊实现连接。本发明通过设置环状过渡结构，并设计钎焊位置改变了钎焊接头区的应力状态，避免了陶瓷复材表面因拉应力作用而导致的表层剥离，可实现三维编制的陶瓷复材管与金属板或筒的连接。

Description

一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构及连接方法
技术领域
本发明属于陶瓷连接技术领域，具体涉及一种陶瓷复材管与金属孔板连接结构及连接方法。
背景技术
陶瓷、陶瓷基复合材料是很有应用前途的高温结构材料，近年来Cf/SiC、SiCf/SiC等耐高温陶瓷复材研制日益成熟，在航空、航天、能源等领域应用前景十分广阔。
鉴于Cf/SiC、SiCf/SiC等陶瓷复材良好的高温性能，航天领域较多选用该类材料制备火箭发动机喷管、燃烧室、主动冷却结构等，航空领域近年来选用陶瓷复材制备航空发动机热端部件。但是各类热端部件的制备会涉及到陶瓷复材与金属的连接问题，众多连接方法中的钎焊对应的结构最简单，减重效果最好，同时还能够满足高温密封需求，极具应用前景。但是陶瓷复材和金属之间热膨胀系数大，两种材料钎焊接头中会存在很大的残余热应力，严重时会导致接头开裂，如何有效缓解接头残余应力成为了目前高温陶瓷材料连接领域的研究热点之一。
针对大尺寸陶瓷复材与金属焊接的结构设计和工艺研究，目前国内外研究均较少。德国和欧洲宇航防务(EADS)集团研究了陶瓷复材与铌金属构件的钎焊技术，在火箭发动机喷管的制造中进行了试应用，实现了陶瓷复材喷管与铌金属环之间的钎焊连接，并进行了点火试验。该试验喷管结构件的施焊位置进行了表面预处理和钎料预置设计，但具体接头结构未报道。国内对于陶瓷复材与金属连接复杂构件的接头应力缓解结构设计还不够成熟，与国外相比差距较大。
在陶瓷复材与金属连接接头结构设计方面，发明专利(熊华平、陈波、程耀永、李晓红、毛唯，一种用于SiO2f/SiO2复合陶瓷与金属材料钎焊的工艺方法，专利号：ZL201010266686.0；熊华平、陈波、淮军锋、陈冰清、程耀永，SiO2f/SiO2复合陶瓷外环与金属内环钎焊的方法，专利号：ZL 201218004848.3)提出了先通过机械加工方法在SiO2f/SiO2陶瓷复材的待焊表面开出断续的凹坑，然后在凹坑中填装塞块或直接填充银基中温活性钎料，形成梯度过渡结构，然后进行SiO2f/SiO2陶瓷复材环与金属环的钎焊。
然而，为了满足高温使用要求，在上述现有技术中，与陶瓷复材相连接的孔板较多选用耐高温的金属，这些金属与陶瓷复材之间热膨胀系数差大，直接钎焊后会在接头中形成巨大的残余热应力，导致接头区出现裂纹甚至零件间相互剥离。另外，通常情况下，缓解陶瓷复材与金属接头残余应力的结构为串联式结构，即陶瓷复材/缓释层/金属，这种结构中陶瓷复材和缓释层之间还是会存在热膨胀系数不匹配现象，即使热应力降低，陶瓷复材表面还是会受到热拉应力作用，残余的热应力可能会造成陶瓷复材表面的剥离，这种问题在大尺寸零件的连接中尤为明显。此外，上述专利的方法还都存在破坏陶瓷的焊接面的问题。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构及连接方法，其目的是能够有效改变陶瓷复材的受力状态，避免陶瓷复材表面因拉应力作用而导致的表层剥离，提高接头强度与可靠性。
本发明的上述目的是通过以下技术措施来实现的：
按照本发明的一个方面，提供一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构，包括金属孔板，带有翻边结构的陶瓷复材管和由低膨胀金属制成的环状过渡结构，其中所述陶瓷复材管插入所述金属孔板中，所述过渡结构套在所述陶瓷复材管翻边区外圆周，所述过渡结构/陶瓷复材管间以及所述过渡结构/金属孔板间通过钎焊连接。
其中所述金属孔板可以是平板，也可以是圆筒，材料可以选择高温合金、钛合金、不锈钢或低膨胀金属等。
其中所述陶瓷复材管为三维编织的Cf/SiC、SiCf/SiC等。
其中过渡结构内圆带有坡口，便于在所述过渡结构/陶瓷复材管间填加钎料，其中在所述过渡结构/陶瓷复材管间填加的钎料为块状、丝状或粉末钎料，在所述过渡结构/金属孔板贴合区填加的钎料为粉末或箔带钎料。其中钎料成分选择塑性优良、能够对Cf/SiC、SiCf/SiC等陶瓷复材有良好润湿与铺展的高温活性钎料，如Cu-Pd-V、Au-Cu-Pd-V、Au-Ni-Cr等。
按照本发明的另一个方面，提供一种陶瓷复材管与金属孔板的连接方法，其中所述陶瓷复材管带有翻边结构，所述方法包括：
采用低膨胀金属制成环状过渡结构；
将所述环状过渡结构套在陶瓷复材管翻边区外圆周，然后将陶瓷复材管插入到金属孔板中；
在过渡结构/陶瓷复材管间，以及过渡结构/金属孔板贴合区填加钎料进行钎焊，钎焊温度为1150～1200℃，保温时间为10～30min，焊后缓冷至室温，冷却速度不高于5℃/min，钎焊后形成陶瓷复材/金属环/金属孔板结构的接头。
本发明针对航天领域热端部件需求，通过设置环状过渡结构，并设计钎焊位置改变了钎焊接头区的应力状态，避免了陶瓷复材表面因拉应力作用而导致的表层剥离，可实现三维编制的陶瓷复材管与金属板或筒的连接。
附图说明
图1是本发明的陶瓷复材管与金属孔板的连接结构的示意图。
图中：1-金属孔板，2-陶瓷复材管，3-环状过渡结构，4-钎料。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构。图1是本发明的陶瓷复材管与金属孔板的连接结构的示意图。如图所示，本发明的钎焊接头包括金属孔板1，带有翻边结构的陶瓷复材管2和由低膨胀金属制成的环状过渡结构4，其中所述陶瓷复材管插入所述金属孔板中，所述过渡结构套在所述陶瓷复材管翻边区外圆周，所述过渡结构/陶瓷复材管间以及所述过渡结构/金属孔板间通过填加钎料4进行钎焊实现连接。
实施例一：
⑵金属孔板为圆筒形，材料为高温合金；
⑵陶瓷复材为三维编织的SiCf/SiC，制备成带有翻边结构的管，其中翻边区外圆周为钎焊连接区；
⑶将可伐合金加工成内圆带有坡口的环作为过渡结构，套在SiCf/SiC陶瓷复材翻边区外圆周，然后将陶瓷复材管插入到高温合金孔板中，在可伐合金环/陶瓷复材间坡口区填加块状、丝状或粉末钎料，可伐合金环/金属孔板贴合区填加粉末或箔带钎料，钎料成分选择塑性优良、能够对SiCf/SiC陶瓷复材有良好润湿与铺展的Cu-Pd-V、Au-Cu-Pd-V高温活性钎料；
⑷钎焊规范为1170±10℃，保温时间为10～30min，焊后缓冷，冷却速度不高于5℃/min至室温，钎焊后形成陶瓷复材/可伐合金环/高温合金孔板结构的接头。
实施例二：
⑴金属孔板为平板，材料为不锈钢；
⑵陶瓷复材为三维编织的Cf/SiC，制备成带有翻边结构的管，其中翻边区外圆周为钎焊连接区；
⑶将钼或铌加工成内圆带有坡口的环作为过渡结构，套在陶瓷复材翻边区外圆周，然后将陶瓷复材管插入到不锈钢孔板中，在钼或铌环/陶瓷复材间坡口区填加块状、丝状或粉末钎料，钼或铌环/金属孔板贴合区填加粉末或箔带钎料，钎料成分选择塑性优良、能够对Cf/SiC陶瓷复材有良好润湿与铺展的Cu-Pd-V、Au-Ni-Cr等高温活性钎料；
⑷钎焊规范为1150±10℃，保温时间为10～30min，焊后缓冷，冷却速度不高于5℃/min至室温，钎焊后形成陶瓷复材/可伐合金环/高温合金孔板结构的接头。
为了满足高温使用要求，现有技术中，与陶瓷复材相连接的孔板较多选用耐高温的金属，这些金属与陶瓷复材之间热膨胀系数差大，直接钎焊后会在接头中形成巨大的残余热应力，导致接头区出现裂纹甚至零件间相互剥离。为了缓解接头中残余热应力，选用了低膨胀金属环作为过渡结构，分别将金属环与陶瓷复材、金属环与金属孔板进行钎焊连接，形成陶瓷复材/金属环/金属孔板的复合结构，有效缓解了接头的残余热应力，缓解或避免了接头中裂纹的产生。
现有技术中，通常情况下，缓解陶瓷复材与金属接头残余应力的结构为串联式结构，即陶瓷复材/缓释层/金属，这种结构中陶瓷复材和缓释层之间还是会存在热膨胀系数不匹配现象，即使热应力降低，陶瓷复材表面还是会受到热拉应力作用，残余的热应力可能会造成陶瓷复材表面的剥离，这种问题在大尺寸零件的连接中尤为明显。在本发明提出的陶瓷复材管与金属孔板的连接结构中，低膨胀金属环与陶瓷复材之间的接头区承受的是压应力，陶瓷复材外圆周受压，且应力方向均指向复材管中心轴，这种应力状态不会造成陶瓷复材表面的剥离，接头结合强度也会增加，提高了接头在使用过程中安全性与可靠性。

Claims (9)

1.一种陶瓷复材管与金属孔板的连接结构，包括金属孔板(1)，带有翻边结构的陶瓷复材管(2)和由低膨胀金属制成的环状过渡结构(3)，其中所述陶瓷复材管(2)插入所述金属孔板(1)中，所述过渡结构(3)套在所述陶瓷复材管(2)翻边区外圆周，所述过渡结构(3)/陶瓷复材管(2)间以及所述过渡结构(3)/金属孔板(1)间通过填加钎料(4)进行钎焊实现连接。
2.按照权利要求1所述的连接结构，其中所述金属孔板(1)是平板或圆筒。
3.按照权利要求2，所述的连接结构，其中所述金属孔板(1)的材料为高温合金、钛合金、不锈钢或低膨胀金属。
4.按照权利要求1所述的连接结构，其中所述陶瓷复材管(2)为三维编织的Cf/SiC或SiCf/SiC。
5.按照权利要求1所述的连接结构，其中所述过渡结构(3)内圆带有坡口。
6.按照权利要求1所述的连接结构，其中在所述过渡结构(3)/陶瓷复材管(2)间填加的钎料为块状、丝状或粉末钎料，在所述过渡结构(3)/金属孔板(1)间填加的钎料为粉末或箔带钎料。
7.按照权利要求1所述的连接结构，其中所述钎料为Cu-Pd-V、Au-Cu-Pd-V或Au-Ni-Cr。
8.一种陶瓷复材管与金属孔板的连接方法，其中所述陶瓷复材管(2)带有翻边结构，所述方法包括：
采用低膨胀金属制成环状过渡结构(3)；
将所述环状过渡结构(3)套在陶瓷复材管(2)翻边区外圆周，然后将陶瓷复材管(2)插入到金属孔板(1)中；
在过渡结构(3)/陶瓷复材管(2)间，以及过渡结构(3)/金属孔板(1)间填加钎料进行钎焊，钎焊温度为1150～1200℃，保温时间为10～30min，焊后缓冷至室温，冷却速度不高于5℃/min，钎焊后形成陶瓷复材/金属环/金属孔板结构的接头。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述过渡结构(3)内圆设置有坡口。
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