CN113385766B - 面向陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置，包括Mo管及其外侧的耐氧化高温保护套，Mo管和耐氧化高温保护套均置于感应加热电源的感应线圈内。Mo管经感应加热提供辐射热源，用于加热Mo管内放置的陶瓷基复合材料母材或碳/碳复合材料母材。耐氧化高温保护套用于防止Mo管表面在高温下氧化，从而提高Mo管的使用寿命，以及用于降低母材焊接后所形成的工件的冷速。该装置实现了在氩气保护气氛下利用感应钎焊方法将钎焊加热温度升高到1500℃以上，并且具有免抽真空、加热速度快、设备投资小、施焊方便及成本低的优点。

Description

面向陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置
技术领域
本发明涉及一种适用于陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料母材的感应钎焊装置。
背景技术
陶瓷纤维强化的陶瓷基复合材料(如SiCf/SiC)、碳纤维强化的陶瓷基复合材料(如Cf/SiC)、碳纤维强化的碳基复合材料(如C/C)具有高温强度、抗烧蚀性能好以及密度低的优点，在高温服役环境下可替代金属材料，成为航空航天高温结构件的重要原材料。对于由以上陶瓷基复合材料(CMC：Ceramic Matrix Composite)、碳/碳复合材料构成的高温结构件，其焊接工艺不能采用电弧焊，而是主要采用钎焊工艺。并且由于主要用于高温服役条件，因此，对钎焊所用钎料的要求是熔点高、润湿性好，对钎焊装置的要求是能耐高温。
常用真空钎焊炉的真空环境有利于防止钎料金属氧化、抑制钎料合金元素烧损、改善界面润湿性，在金属母材的钎焊方面具有焊接质量稳定的优点，但在应用于陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料的高温钎焊时，存在以下问题：(1)焊接前需要预先抽真空，不仅设备投资增大(数十万元)，而且抽真空耗费时间，使高温感应钎焊的设备成本与时间成本明显增高；(2)由于通常采用外部传导电流通过Mo片、Mo丝、Mo条时产生的焦耳热为热源，加热速度慢；(3)允许的最高加热温度通常小于1200℃。
虽然感应钎焊具有加热速率快的优点，但陶瓷基复合材料中因陶瓷相基体或陶瓷相增强相的存在限制了涡流的产生，导致陶瓷基复合材料无法直接进行感应加热。中国专利201320263798.X所提出的高频感应真空钎焊炉，通过感应加热电磁屏蔽层，以电磁屏蔽层作为辐射热源完成工件的钎焊，解决了高频磁场的集肤效应所导致的炉内温度场不均匀、不稳定的问题。但该专利依然需要由真空室提供真空钎焊条件。
作为组成高温结构件的材料，CMC与C/C母材需要使用高熔点钎料，钎焊温度随之升高。虽然此类母材表面不易被氧化，但在没有严格的真空密封保护措施下，作为辐射热源的电磁屏蔽层(采用Mo材等制成)、钎料金属成分均容易在所需要的极高的钎焊温度下发生氧化；此外Mo材的塑性差，容易在反复加热/冷却循环中发生开裂。
目前亟待提出一种加热迅速、加热峰值温度高、免抽真空的“高效低成本”感应钎焊装置。
发明内容
针对真空钎焊用于陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料存在的设备投资大、抽真空耗时长、加热速率慢、生产成本高的问题，本发明提供一种面向陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置。该感应钎焊装置以感应加热作为间接热源，通过在Mo管等难熔金属管的腔壁产生热辐射，从而实现适用于陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料母材的高效低成本快速感应加热，并提高高温感应钎焊设备使用寿命和焊接质量。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该感应钎焊装置包括难熔金属钼(Mo)管以及设置于Mo管外侧的耐氧化高温保护套，所述耐氧化高温保护套的外侧设置有感应线圈，感应线圈通过加热Mo管的腔壁形成用于加热母材(陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料)的辐射热源(即通过对Mo管进行感应加热，使Mo管成为用于钎焊加热的发热体)，耐氧化高温保护套上设置有与Mo管内部(Mo管腔壁所围成的管内空腔，主要用于放置和加热待焊接的母材)相连通的保护气进气孔。
其中，耐氧化高温保护套主要分为高温水泥保护套和陶瓷保护套两类。高温水泥保护套采用在Mo管与其外侧模板之间浇筑高温水泥而成(故又称为高温水泥模套)，与Mo管外壁紧密贴合(无间隙)。
所述高温水泥保护套的作用主要包括三个方面：一是用于保护Mo管外表面，即通过与Mo管的外壁紧密贴合，以隔绝Mo管外表面与大气的接触，从而避免Mo管外表面被氧化、烧蚀(因MoO3与MoO2的熔点均远低于Mo自身的熔点而出现表面烧蚀)，并节约了保护气(如，氩气)；二是作为“铠甲”(阻热)，降低了Mo管内、外壁之间冷速的差距，可防止热应力引起Mo管的开裂；三是降低了陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料母材与钎缝金属的冷速，从而有利于降低相应母材与钎料之间的热应力，提高接头强度。
对于钎焊温度较低的工况，在允许耐氧化高温保护套与Mo管间存在1mm以下间隙时，可用上述陶瓷保护套替换高温水泥保护套以同样发挥保护Mo管(例如，防止Mo管外表面高温氧化)的作用。
所述保护气进气孔设置于耐氧化高温保护套底部或顶部，从而能够为Mo管内部通入保护气，利用通入的保护气既能保护Mo管内表面不被氧化，又能保护位于Mo管内部的钎料及母材不被氧化。由此实现保护性气氛下(免抽真空)高效低成本的高温钎焊。
在按以上技术方案的思路完成了Mo管内、外表面的保护(严防Mo管的高温氧化)设计后，进一步为防止循环加热/冷却过程导致高温水泥保护套开裂，从而延长其使用寿命，采取了以下两种强化技术方案：(1)在高温水泥保护套内部(内外壁面之间，即壁厚范围之内)添加了耐高温的呈连续分布的难熔金属丝以及其他丝型强化相，形成高温水泥复合保护套，其他丝型强化相主要包括分散的玻璃纤维丝和/或云母丝，添加量以不影响高温水泥模套浇筑成型为宜，例如，添加比例控制为高温水泥拌合料体积的20％～50％。难熔金属丝(例如，直径≥0.1mm的Mo丝)则通过高温水泥模套以螺旋状环绕于Mo管外侧。(2)在高温水泥保护套外壁上缠绕云母带或玻璃纤维带作为防止开裂掉块的加固层(特别是在高温、接触大气情况下)。另外，还可在高温水泥保护套外部缠绕的这些云母带或玻璃纤维带表面涂刷绝缘漆，以强化云母带或玻璃纤维带自身的编织结构的整体性，防止挂丝或拉丝导致的表面损伤，延长使用寿命。
所述感应钎焊装置还包括由耐氧化高温保护套的顶部伸入至Mo管内部的加压柱，以及设置于Mo管内部的用于与加压柱配合夹紧待焊接母材与钎料的承压片，所述待焊接母材在Mo管内部放置时采用了耐高温、能承压、有一定变形能力的Mo制底座；母材/钎料间的加压采用加压柱(陶瓷或Mo制)与陶瓷承压片实现(例如，母材和钎料装配后置于上下两个承压片之间，然后接受加压柱的下压作用力)，利用承压片可扩大加压面积，并防止母材与加压柱、底座产生粘连，保证焊后所形成工件的顺利取出。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述感应钎焊装置以难熔金属管(例如，Mo管)作为辐射热源，并在其外侧布置耐氧化高温保护套，通过解决Mo管内外表面的氧化、Mo管的开裂(包括因高温氧化引起的热裂及热应力引起的冷裂)等多项关键技术问题，保证了装置的可靠性与使用寿命，实现了在保护气氛下用感应钎焊方法加热不能产生涡流的陶瓷基复合材料，并降低陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料焊接热应力，具有施焊方便(例如，免抽真空)、钎焊加热温度高、加热速度快的特点，显著降低了设备投资成本与钎焊时间成本，并提高了焊接质量。
进一步的，通过使用高温水泥复合保护套，防止Mo管的高温氧化与开裂，以及焊接热循环引发的保护套开裂，将钎焊加热温度提高至1500℃以上。
附图说明
图1为本发明实施例中的高效低成本高温感应钎焊装置的结构示意图；图中：1-B型热电偶，2-加压柱，3-第一母材，4-钎料，5-第二母材，6-承压片，7-感应线圈，8-高温水泥复合保护套，9-Ar入口，10-高温耐热绵，11-底座，12-Mo管。
图2为1300℃×5min×3MPa条件下钎焊C/C复合材料所得接头外观。
图3为1300℃×5min×3MPa条件下钎焊Cf/SiC复合材料所得接头外观。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
(一)高温感应钎焊装置结构设计
参见图1，本发明提出的高温感应钎焊装置包括感应加热电源、Mo制底座11、Mo制发热体及其外侧的高温水泥复合保护套8，所述发热体为经过感应加热的Mo管12，Mo制底座11为支撑母材与钎料的耐高温工作台，Mo制底座11上放置刚玉承压片6，可以防止大尺寸的Mo制基座11以热传导方式吸收小尺寸母材的热量，影响钎料与母材的真实反应时间，高温水泥复合保护套8包括上下相嵌合的两个筒状体，Mo管12放置在位于下侧的筒状体内，该筒状体上开设有用于连通装置外部氩气气源与Mo管12内部的Ar入口9，位于上侧的筒状体紧贴在Mo管12外壁，该筒状体顶部端面预留有加压通孔，并且通过在该筒状体底部侧面填塞的高温耐热绵10以密封高温水泥复合保护套8的上下两个筒状体之间的间隙。感应加热电源的感应线圈7套设在高温水泥复合保护套8(具体位于上侧的筒状体)外侧。
所述高温感应钎焊装置还包括B型热电偶1和刚玉加压柱2，二者可以通过上述加压通孔伸入Mo管12内部，第一母材3(陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料块体母材)、第二母材5(陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料片体母材)以及预置在第一、第二母材3、5之间的钎料4通过刚玉加压柱2下压作用力固定在上下两个刚玉承压片6之间(位于下方的承压片与底座接触，位于上方的承压片与加压柱接触)。
所述Mo管12自身经感应加热后提供辐射热源，用于加热Mo管12内放置的待焊接母材(焊接后即为工件)。高温水泥复合保护套8主要用于防止Mo管12外表面在高温下被氧化，既提高了Mo管12的使用寿命，又降低了Mo管12以及工件的冷速，有利于抑制Mo管内外表面间的热应力以及接头界面处的热应力；高温水泥复合保护套8是通过在浇筑的高温水泥模套自身结构内添加玻璃纤维丝与Mo丝进行强化而形成的，具有不易开裂的优点；高温水泥复合保护套8外表面缠绕包裹玻璃纤维带或云母带，可防止高温水泥保护套掉块。通过用刚玉加压柱2向待焊接母材加压，促进钎料与母材的接触与反应润湿。
本发明通过解决Mo管(作为发热体)内外表面的氧化与热应力开裂问题、解决高温水泥模套的碎裂问题，保证了装置的可靠性与寿命，可实现以Mo管的辐射热量为热源、以氩气为保护气氛的高效低成本快速感应加热高温钎焊。
本发明之所以采用Mo管作为辐射加热热源的原因在于：
(1)为感应加热陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料提供了可能：感应加热虽然具有速度快的优点，但例如陶瓷基复合材料内部(陶瓷相)不能产生涡流，因此无法直接采用感应加热方法加热。为此，本发明采用间接式感应加热方法，即先用感应涡流快速加热Mo管，然后再用Mo管辐射加热内置于Mo管的陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料母材与钎料。
(2)Mo材为难熔金属，熔点高(2620℃)，允许加热的峰值温度超过1200℃，可达1500～2000℃。
(3)管材形状尤为适于快速感应加热，同时管内空腔可放置待焊母材与钎料。与传统真空钎焊炉采用Mo片、Mo丝、Mo棒或Mo条作为热源(此热源只能通过大电流的焦耳热实现，电流大小低于呈短路状态的Mo管内的涡流)相比，升温速率明显提高。
本发明之所以在Mo管外侧设置高温水泥复合保护套的原因在于：
(1)保护Mo管外表面不被氧化：
陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料的高温钎焊温度极高(通常在1200℃以上)，极易引起Mo管外表面的氧化，利用高温水泥复合保护套可紧密的套在Mo管的外侧，可隔绝空气。Mo易于氧化，而且一旦被氧化，因MoO3(熔点为818℃)与MoO2(熔点为2300℃)的熔点均远低于Mo自身的熔点(2620℃)而出现表面烧蚀，甚至出现热裂；加之CMC钎焊温度极高；因此必须予以良好保护。
高温水泥的优点体现在：能耐受1200℃以上的高温而不会熔融流失；易于高温水泥复合保护套的制作成型，可用水将高温水泥和成泥状(拌合过程中添加玻璃纤维丝)后，填充在Mo管外表面(直径0.1mm的Mo丝预先加工成螺旋状并放入外模板与Mo管之间)，从而能与Mo管外表面紧密相贴(保护效果好)，干燥后即可使用。所述玻璃纤维丝与Mo丝的用量按体积比选择，适用范围较宽(例如1:1～1:5)；Mo丝因密封固定在高温水泥内，可采单股螺旋状从上到下缠绕于Mo管外侧。高温水泥复合保护套外表面缠绕包裹的云母带或玻璃纤维丝带以不出现裸露高温水泥为原则，缠绕包裹1～3层即可。
(2)降低母材焊后的冷速，减轻残余应力对工件的危害。
(3)经玻璃纤维丝与Mo丝强化，使得高温水泥复合保护套即便在高/低温反复循环条件下也具有不易开裂、掉块的优点，使用寿命长。
(二)焊接实例
实例1：C/C复合材料的保护气氛高温钎焊
采用图1所示装置，Mo管12及外加高温水泥复合保护套8均套入感应加热电源的感应线圈7内，利用重物对刚玉加压柱2顶部施以压力(3MPa)，以使钎料与C/C复合材料母材紧密接触，有利于防止钎料表面在加热过程中被氧化，将B型热电偶1接至母材(具体指位于下侧的第二母材5)表面预加工的定位热电偶的盲孔处；通过Ar入口9向Mo管12内通入氩气作为保护气体；利用B型热电偶1实时测温，在1300℃进行氩气保护感应钎焊(加热5min)，焊后于Mo管12内自然冷却后取出由C/C复合材料母材焊接形成的工件。
整个氩气保护感应钎焊过程进行平稳，采用C/C复合材料在1300℃×5min×3MPa条件下钎焊所得接头外观见图2(钎料为SUS630薄片)：焊后接触角小于90度(接触角是指钎料与母材表面的接触角度)。同时，钎焊过程Mo管无氧化现象、高温水泥无烧熔或开裂等任何异常情况出现；装置制作成本仅数百元。结果表明所设计的装置适用于C/C复合材料的快速高温感应钎焊。
实例2：Cf/SiC陶瓷基复合材料的保护气氛高温钎焊
采用图1所示装置，Mo管12及外加高温水泥复合保护套8均套入感应加热电源的感应线圈7内，利用重物对刚玉加压柱2顶部施以压力(3MPa)，以使钎料与Cf/SiC陶瓷基复合材料母材紧密接触，将B型热电偶1接至母材(具体指位于下侧的第二母材5)表面预加工的定位热电偶的盲孔处；通过Ar入口9向Mo管12内通入氩气作为保护气体；利用B型热电偶1实时测温，在1300℃进行氩气保护感应钎焊(加热5min)，焊后于Mo管12内自然冷却后取出由Cf/SiC复合材料母材焊接形成的工件。
整个氩气保护感应钎焊过程进行平稳，采用Cf/SiC陶瓷基复合材料在1300℃×5min×3MPa条件下钎焊所得工件的接头外观见图3(钎料为SUS630薄片)，可见钎料被顺利熔化并挤出。挤出钎料与Cf/SiC陶瓷基复合材料之间接触角小于90度；焊接完成后装置无任何损坏，装置制作成本仅数百元；可见，该装置适用于Cf/SiC陶瓷基复合材料的保护气氛高温钎焊。
总之，本发明提出的高温感应钎焊装置可用于陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料在保护气氛下的高效低成本高温钎焊。

Claims (4)

1.一种面向碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置，其特征在于：该感应钎焊装置包括难熔金属管以及设置于难熔金属管外侧的耐氧化高温保护套，所述耐氧化高温保护套的外侧设置有用于通过加热难熔金属管的腔壁形成辐射热源的感应线圈(7)，耐氧化高温保护套上设置有与难熔金属管内部相连通的保护气进气孔，其特征在于：所述耐氧化高温保护套选自高温水泥复合保护套(8)；高温水泥复合保护套(8)包括与难熔金属管外壁紧密贴合的高温水泥模套以及支撑在高温水泥模套的内外壁面之间的呈连续分布的Mo丝和分散于高温水泥模套的内外壁面之间的丝型强化相；
所述丝型强化相为分散的玻璃纤维丝和/或云母丝，添加比例控制为高温水泥拌合料体积的20％～50％，玻璃纤维丝与Mo丝的用量按体积比1:1～1:5选择，Mo丝直径≥0.1mm；
所述高温水泥复合保护套(8)的外壁设置有加固层，加固层通过缠绕云母带或玻璃纤维带形成；
所述加固层上设置有绝缘漆涂层；
所述难熔金属管采用Mo材制成；
所述保护气进气孔设置于耐氧化高温保护套底部；
所述感应钎焊装置还包括由耐氧化高温保护套的顶部伸入至难熔金属管内部的加压柱(2)，以及设置于难熔金属管内部的用于与加压柱(2)配合夹紧待焊接母材与钎料(4)的承压片(6)。
2.根据权利要求1所述一种面向碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置，其特征在于：所述Mo丝通过高温水泥模套以螺旋状环绕于难熔金属管外侧。
3.根据权利要求1所述一种面向碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置，其特征在于：所述感应钎焊装置还包括用于支撑承压片(6)的底座(11)，底座(11)设置于难熔金属管内部。
4.根据权利要求3所述一种面向碳/碳复合材料的高温感应钎焊装置，其特征在于：所述底座(11)采用Mo材制成；承压片(6)及加压柱(2)采用Mo材或陶瓷制成。
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