CN114315403A - 一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法 - Google Patents

一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊方法，属于异质材料连接技术领域。采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊面预先加工一些规则分布的盲孔，将高强度金属丝(W、Mo、Nb等)植入孔内，控制金属丝长度，使其略微凸出复合材料表面；然后对植有金属丝的复合材料与金属进行钎焊连接，以获得一种高强度金属丝穿过复合材料/连接层界面的钎焊接头。所述连接方法可通过金属丝的钉扎和强化作用，使复合材料/连接层界面断裂能显著增加，进而获得高强度复合材料‑金属连接接头；此外，W、Mo、Nb等低热膨胀金属丝的植入，有助于降低接头残余热应力，改变应力分布状态，减小临近界面复合材料外表面的应力集中，进一步提高接头强度及可靠性。

Description

一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法
技术领域
本发明属于陶瓷及陶瓷基复合材料与金属连接技术领域，特别是提供一种通过向“复合材料/连接层”连接界面植入高强度贯穿金属丝，借助金属丝的钉扎和强化作用，显著提高接头强度及可靠性的连接方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(C/C、C/SiC)是一种当前极具竞争力的极端环境热结构材料，具有低密度、低热膨胀系数、高温下高强高模、良好的断裂韧性和耐磨/抗冲刷等一系列优异的性能，是制造燃烧器部件、涡轮叶片、火箭喷管和航天热防护结构等的理想材料，在航空航天领域具有重要的应用价值。然而，很多实际应用需要解决C/C及C/SiC与金属的连接问题。该类连接问题难度大、对接头性能及可靠性要求高，主要表现在：1)C/C及C/SiC复合材料与金属之间热膨胀系数差异(热失配)较大，连接往往形成较大的残余热应力；2)C/C及C/SiC复合材料与金属的连接接头通常在极端环境(高温、高压、高速震动等)下工作，因此对接头的性能及可靠性要求十分严格。开发C/C及C/SiC复合材料与金属的高强、高可靠连接技术对我国航空航天技术的发展具有重要意义。
目前，关于C/C及C/SiC复合材料与金属连接，已有的方法主要包括粘接、扩散连接和钎焊类连接。钎焊类连接工艺方便、结构适应性强，是C/C及C/SiC复合材料与金属连接最常用的方法。然而传统钎焊存在接头强度低、接头可靠性差的问题，难以满足实际应用的要求。如何提高复合材料-金属钎焊接头强度及可靠性，一直是国内外在相关领域研究的重点问题，受到了越来越多的关注。已有研究表明，除了较大的连接热应力外，较低的“复合材料/连接层”界面结合强度是导致接头强度低及可靠性差的最直接原因。如何提高“复合材料/连接层”界面结合强度是解决C/C及C/SiC复合材料与金属钎焊连接问题的关键。
已公开的方法中，王等人采用机械加工的方式对C/C复合材料表面进行打孔，然后对打孔的C/C复合材料与TiAl合金进行钎焊连接。结果表明，与不打孔接头相比，打孔接头强度得到显著提高[Wang H Q,et al.Scr.Mater.,2010；63:859-62]。郭等人采用激光蚀刻的方式在C/C复合材料表面加工三角形凹槽，然后对开槽的C/C复合材料与Rene N5合金进行钎焊连接。结果表明，带槽接头的剪切强度比无槽接头的剪切强度高1.65倍[Guo W,etal.Ceram.Int.2015,41:11605-10]。以上研究主要是采用机械钻孔、激光蚀刻等方式，在复合材料表面钻孔或开槽，通过增加复合材料与连接层之间界面的结合面积来提高接头强度。
发明内容
本发明的目的是要解决C/C及C/SiC复合材料与金属钎焊连接存在的接头强度低、接头可靠性差的问题。本发明提供一种通过向“复合材料/连接层”连接界面植入高强度贯穿金属丝，借助金属丝的钉扎和强化作用，显著提高接头强度及可靠性的“植丝增强钎焊”连接方法。
一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于，采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊面预先加工一些规则分布的盲孔，将高强度金属丝植入孔内，控制金属丝长度，使其略微凸出复合材料表面；然后对表面植丝的复合材料与金属进行钎焊连接，以获得一种高强度金属丝穿过复合材料/连接层界面的连接接头；所述连接方法可通过金属丝的钉扎和强化作用，使复合材料/连接层界面断裂能显著增加，进而提高接头强度及可靠性，所述金属丝包括Mo、Nb、W等。
进一步地，如上所述的C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，具体工艺过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔：采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊表面加工一些均匀分布的盲孔，打孔密度为8～64个/cm2，孔深为1～3mm，孔径为0.3～0.5mm；所述打孔密度为单位面积上的孔数；
步骤2，处理待焊母材：将金属母材待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的金属母材、金属丝以及打孔的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用；
步骤3，复合材料植丝：将金属丝植入复合材料表面盲孔内，控制金属丝的长度大于孔深0.2～0.3mm、即金属丝露出复合材料表面0.2～0.3mm；
步骤4，配制连接材料：根据被连接材料选取合适的钎料，加入适量有机溶剂(如乙醇、α-松油醇、汽油-橡胶搅拌均匀，调制呈膏状；
步骤5，预置连接材料：将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝复合材料与金属待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.5～0.9mm。
步骤6，真空钎焊：将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10-3Pa；然后分两步升温加热至钎焊温度，保温一段时间后炉冷降温，得到植丝增强钎焊接头。
进一步地，步骤1所述的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
进一步地，步骤2所述烘干温度为40～60℃，烘干时间为10～30min。
进一步地，步骤6所述升温加热制度是：以8～10℃/min的升温速率加热至100～300℃保温10～15min；再以10～15℃/min的升温速率加热至钎焊温度，保温5～30min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min。
本发明的优点在于：
(1)植丝增强钎焊是一种新的连接方法，该方法可通过向“复合材料/连接层”连接界面植入高强度贯穿金属丝，借助金属丝的钉扎和强化作用，显著提高复合材料-金属钎焊接头的强度及可靠性。
(2)Mo、Nb、W等低热膨胀金属丝的植入，有助于降低接头残余热应力，改变应力分布状态，减小临近界面复合材料外表面的应力集中，从而进一步提高接头强度及可靠性。
(3)采用电火花的方式对C/C及C/SiC复合材料表面进行打孔，对母材破坏小，而且可以获得孔径一致、深/径比高的盲孔。
附图说明
图1C/C复合材料与GH3044高温合金植丝增强钎焊接头组织扫描电镜图像；
图2C/C复合材料与GH3044高温合金连接接头剪切强度-位移曲线(实线为植丝增强钎焊接头；虚线为普通钎焊接头)。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种C/C复合材料与GH3044高温合金的植钨(W)丝增强钎焊方法。
所涉及的C/C复合材料为二维缠绕和三维穿孔结构，其密度为1.65～1.78g/cm3，切割成5×5×5mm3的方块；所涉及的GH3044高温合金为固溶强化Ni基高温合金，密度为8.89g/cm3，其熔化温度范围1352～1375℃，热膨胀系数为16.28×10-6K-1，切成10×10×3mm3的方块。所涉及的W丝直径为0.3mm，选择BNi2作为钎料。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔。采用电火花打孔的方式，在C/C复合材料待焊表面加工一些规则分布的盲孔，打孔密度(单位面积上的孔数)为36个/cm2，孔深为2mm，孔径为0.3mm；相应的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
步骤2，处理待焊母材。将GH3044高温合金待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的GH3044高温合金、W金属丝以及打孔的C/C复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为10min。
步骤3，复合材料植丝。将W丝植入复合材料表面盲孔内，控制W丝的长度大于孔深0.3mm(即W丝露出复合材料表面0.3mm)。
步骤4，配制连接材料。称取适量的BNi2钎料，加入适量α-松油醇搅拌均匀，调制呈膏状。
步骤5，预置连接材料。将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝C/C复合材料与GH3044高温合金待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.6mm。
步骤6，真空钎焊。将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10-3Pa；然后以10℃/min的升温速率加热至300℃保温15min；再以15℃/min的升温速率加热至1050℃，保温30min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min，待炉内温度降至室温时取出连接试样。
步骤7，接头组织及性能检测。用线切割的方法将反应复合扩散钎焊接头沿截面切开，用150、240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目的砂纸对接头截面逐级打磨后抛光，制备金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的植丝增强钎焊接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行室温及高温剪切强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度，取5个试样的平均值作为最终结果。所得接头室温剪切强度为83MPa。
实施例2
本实施例是一种C/C复合材料与GH3044高温合金的植钼(Mo)丝增强钎焊方法。
所涉及的C/C复合材料为二维缠绕和三维穿孔结构，其密度为1.65～1.78g/cm3，切割成5×5×5mm3的方块；所涉及的GH3044高温合金为固溶强化Ni基高温合金，密度为8.89g/cm3，其熔化温度范围1352～1375℃，热膨胀系数为16.28×10-6K-1，切成10×10×3mm3的方块。所涉及的Mo丝直径为0.3mm，选择BNi2作为钎料。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔。采用电火花打孔的方式，在C/C复合材料待焊表面加工一些规则分布的盲孔，打孔密度(单位面积上的孔数)为36个/cm2，孔深为3mm，孔径为0.3mm；相应的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
步骤2，处理待焊母材。将GH3044高温合金待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的GH3044高温合金、Mo金属丝以及打孔的C/C复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为10min。
步骤3，复合材料植丝。将Mo丝植入复合材料表面盲孔内，控制Mo丝的长度大于孔深0.3mm(即Mo丝露出复合材料表面0.3mm)。
步骤4，配制连接材料。称取适量的BNi2钎料，加入适量α-松油醇搅拌均匀，调制呈膏状。
步骤5，预置连接材料。将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝C/C复合材料与GH3044高温合金待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.6mm。
步骤6，真空钎焊。将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10-3Pa；然后以10℃/min的升温速率加热至300℃保温15min；再以15℃/min的升温速率加热至1050℃，保温30min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min，待炉内温度降至室温时取出连接试样。
步骤7，接头组织及性能检测。用线切割的方法将反应复合扩散钎焊接头沿截面切开，用150、240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目的砂纸对接头截面逐级打磨后抛光，制备金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的植丝增强钎焊接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行室温及高温剪切强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度，取5个试样的平均值作为最终结果。所得接头室温剪切强度为69MPa。
实施例3
本实施例是一种C/SiC复合材料与GH4169高温合金的植钛(Ti)丝增强钎焊方法。
所涉及的C/SiC复合材料为三维编织复合材料，其密度为2.0～2.1g/cm3、气孔率为10～15％、纤维束为3K、纤维的体积分数为45～50％，切割成5×5×5mm3的方块；所涉及的GH4169高温合金切成10×10×3mm3的方块，连接面积为5×5mm2；所涉及的Ti丝直径为0.3mm，选择67.6Ag-26.4Cu-6Ti(质量分数)作为钎料。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔。采用电火花打孔的方式，在C/SiC复合材料待焊表面加工一些规则分布的盲孔，打孔密度(单位面积上的孔数)为36个/cm2，孔深为2mm，孔径为0.3mm；相应的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
步骤2，处理待焊母材。将GH4169高温合金待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的GH4169高温合金、Ti金属丝以及打孔的C/SiC复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为10min。
步骤3，复合材料植丝。将Ti丝植入复合材料表面盲孔内，控制Ti丝的长度大于孔深0.3mm(即Ti丝露出复合材料表面0.3mm)。
步骤4，配制连接材料。称取适量的67.6Ag-26.4Cu-6Ti(质量分数)钎料，加入适量α-松油醇搅拌均匀，调制呈膏状。
步骤5，预置连接材料。将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝C/SiC复合材料与GH4169高温合金待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.6mm。
步骤6，真空钎焊。将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10-3Pa；然后以10℃/min的升温速率加热至300℃保温15min；再以15℃/min的升温速率加热至930℃，保温10min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min，待炉内温度降至室温时取出连接试样。
步骤7，接头组织及性能检测。用线切割的方法将反应复合扩散钎焊接头沿截面切开，用150、240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目的砂纸对接头截面逐级打磨后抛光，制备金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的植丝增强钎焊接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行室温及高温剪切强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度，取5个试样的平均值作为最终结果。所得接头室温剪切强度为150MPa。
实施例4
本实施例是一种C/SiC复合材料与GH3044高温合金的植铌(Nb)丝增强钎焊方法。
所涉及的C/SiC复合材料为三维编织复合材料，其密度为2.0～2.1g/cm3、气孔率为10～15％、纤维束为3K、纤维的体积分数为45～50％，切割成5×5×5mm3的方块；所涉及的GH3044高温合金切成10×10×3mm3的方块，连接面积为5×5mm2；所涉及的W丝直径为0.3mm，选择85Cu-15Ti(原子分数)作为钎料。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔。采用电火花打孔的方式，在C/SiC复合材料待焊表面加工一些规则分布的盲孔，打孔密度(单位面积上的孔数)为36个/cm2，孔深为2mm，孔径为0.3mm；相应的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
步骤2，处理待焊母材。将GH3044高温合金待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的GH3044高温合金、Nb金属丝以及打孔的C/SiC复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为10min。
步骤3，复合材料植丝。将Nb丝植入复合材料表面盲孔内，控制Nb丝的长度大于孔深0.3mm(即Nb丝露出复合材料表面0.3mm)。
步骤4，配制连接材料。称取适量的85Cu-15Ti(原子分数)钎料，加入适量α-松油醇搅拌均匀，调制呈膏状。
步骤5，预置连接材料。将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝C/SiC复合材料与GH3044高温合金待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.6mm。
步骤6，真空钎焊。将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10-3Pa；然后以10℃/min的升温速率加热至300℃保温15min；再以15℃/min的升温速率加热至980℃，保温30min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min，待炉内温度降至室温时取出连接试样。
步骤7，接头组织及性能检测。用线切割的方法将反应复合扩散钎焊接头沿截面切开，用150、240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目的砂纸对接头截面逐级打磨后抛光，制备金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤6得到的植丝增强钎焊接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行室温及高温剪切强度测试，加载速率为0.5mm/min，记录工件剪断时输出的最大载荷，根据最大载荷换算接头剪切强度，取5个试样的平均值作为最终结果。所得接头室温剪切强度为245MPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有所附权利要求及其同等限定。

Claims (5)

1.一种C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于，采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊面预先加工一些规则分布的盲孔，将高强度金属丝植入孔内，控制金属丝长度，使其略微凸出复合材料表面；然后对表面植丝的复合材料与金属进行钎焊连接，以获得一种高强度金属丝穿过复合材料/连接层界面的连接接头；所述连接方法可通过金属丝的钉扎和强化作用，使复合材料/连接层界面断裂能显著增加，进而提高接头强度及可靠性，所述金属丝包括Mo、Nb、W。
2.如权利要求1所述的C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于具体工艺过程包括以下步骤：
步骤1，复合材料打孔：采用电火花打孔的方式，在复合材料待焊表面加工一些均匀分布的盲孔，打孔密度为8～64个/cm2，孔深为1～3mm，孔径为0.3～0.5mm；所述打孔密度为单位面积上的孔数；
步骤2，处理待焊母材：将金属母材待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的金属母材、金属丝以及打孔的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入真空干燥箱中烘干备用；
步骤3，复合材料植丝：将金属丝植入复合材料表面盲孔内，控制金属丝的长度大于孔深0.2～0.3mm、即金属丝露出复合材料表面0.2～0.3mm；
步骤4，配制连接材料：根据被连接材料选取合适的钎料，加入适量有机溶剂(如乙醇、α-松油醇、汽油-橡胶搅拌均匀，调制呈膏状；
步骤5，预置连接材料：将调制好的膏状钎料均匀地预置在植丝复合材料与金属待焊面之间，轻压使钎料与母材之间充分接触，控制预置层厚度为0.5～0.9mm；
步骤6，真空钎焊：将预置好的待焊件放入真空钎焊炉中，关紧炉门，抽真空至5×10- 3Pa；然后分两步升温加热至钎焊温度，保温一段时间后炉冷降温，得到植丝增强钎焊接头。
3.如权利要求2所述的C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于步骤1所述的电火花打孔工艺参数为：峰值电流为2～3A，脉冲宽度为8～10μs，脉冲间隔为60～80μs。
4.如权利要求1所述的C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于步骤2所述烘干温度为40～60℃，烘干时间为10～30min。
5.如权利要求1所述的C/C及C/SiC复合材料与金属的植丝增强钎焊连接方法，其特征在于步骤6所述升温加热制度是：以8～10℃/min的升温速率加热至100～300℃保温10～15min；再以10～15℃/min的升温速率加热至钎焊温度，保温5～30min后炉冷降温，冷却速率≤5℃/min。
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