CN115974574A - 一种碳化硅复合材料和高温合金的连接件及其连接方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷与高温合金连接技术领域，公开了一种碳化硅复合材料和高温合金的连接件及其连接方法与应用。该方法使用脉冲光纤激光器在高温合金的连接表面刻蚀出具有表面纹理的高温合金；将NITE相粉体和溶剂通过超声混合，得到连接浆料，将浆料涂覆于碳化硅复合材料的连接表面和高温合金的纹理表面，叠放形成碳化硅复合材料‑NITE相‑高温合金结构，得到预制连接件；将预制连接件置于惰性气氛中，在1450～1650℃、5～30MPa条件下保温10～30min进行连接，制得碳化硅复合材料和高温合金的连接件。该连接件具有良好的抗腐蚀和抗高温性能，可应用在航天航空发动机、火箭舱燃烧室、军工或核能等部件或领域中。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷与高温金属连接技术领域，更具体地，涉及一种碳化硅复合材料和高温合金的连接件及其连接方法与应用。
背景技术
SiC/SiC、SiCf/SiC、C/SiC和Cf/SiC等碳化硅复合材料具有高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性和耐腐蚀性等优点，可应用于航空航天发动机、核能以及军工等多个领域。但是，高硬度和高固有脆性使得碳化硅复合材料难以制造成为大型复杂构件，制约其应用推广。而高温合金具有可塑性好、高温强度高等优势，被广泛应用于航空航天部件和涡轮叶片等方面。由此而产生的一种将两者结合起来实现优势互补的方法，然而目前碳化硅复合材料与高温合金的连接存在的问题是连接层残余应力较大，连接强度较低，在高温环境下工作的高温合金可能会出现变形，在极端环境下的高温合金可能会出现断裂，造成事故等。此外，纳米瞬态共晶(NITE)相连接广泛用于碳化硅及其复合材料的连接中，具有很高的连接强度等连接性能。因此，迫切需要开发一种可以实现碳化硅复合材料与高温合金低残余应力连接的连接方法，提高连接工件的工作温度以及在高温下的强度。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，该方法通过对高温合金连接表面进行激光刻蚀处理，再结合NITE相来连接碳化硅复合材料，得到碳化硅复合材料-高温合金连接件。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的碳化硅复合材料和高温合金连接件。该连接件具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化和高强度等优异特性。
本发明的再一目的在于提供上述碳化硅复合材料和高温合金连接件的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种碳化硅复合材料和高温合金连接件的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.使用脉冲光纤激光器在高温合金连接表面刻蚀出具有一定形状的纹路，得到具有复杂表面纹理的高温合金；
S2.将纳米SiC粉体、烧结助剂Al2O3-Re2O3、溶剂和球磨介质混合后经球磨、干燥，得到NITE相粉体；
S3.将NITE相粉体和溶剂通过超声混合，得到连接浆料，将浆料涂覆于碳化硅复合材料连接表面和高温合金的纹理表面，叠放形成碳化硅复合材料-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件；
S4.将预制连接件置于惰性气氛中，在1450～1650℃、5～30MPa条件下保温10～30min进行连接，制得碳化硅复合材料和高温合金的连接件。
优选地，步骤S1中所述的脉冲光纤激光器的设置参数是脉冲能量为0.15-0.60mj，脉冲次数为5-15次，激光扫描速度为15-35mm/s；所述高温合金为所述高温合金为GH5188钴基高温合金、K14铁基高温合金或Inconel718镍基高温合金。
优选地，步骤S2中所述的纳米碳化硅的粒径为20-100nm，纯度99％以上，所述的Re2O3为Yb2O3、Y2O3或Ho2O3，Al2O3和Re2O3粉的纯度均为95％以上，粒径均为0.1～10μm。
优选地，步骤S2中所述的SiC、Al2O3、Re2O3的质量比为(70～85):(7.5～15)：(7.5～15)，所述的磨球介质为SiC、Si3N4或ZrO2，所述的溶剂为无水乙醇或丙酮。所述的(SiC:Al2O3:Re2O3)粉体、溶剂、磨球的质量比为1：(2.5～5)：(5～20)。
优选地，步骤S2中所述的溶剂为纯水或无水乙醇，所述的连接粉体、溶剂的质量比为1:(4～10)。
优选地，步骤S3中所述的碳化硅复合材料为SiC/SiC、SiCf/SiC、C/SiC或Cf/SiC。
优选地，步骤S4中所述的连接设备为放电等离子烧结炉、感应加热炉或激光烧结炉；所述惰性气氛为流动的氮气或氩气。
更为优选地，放电等离子烧结炉的升温速率为100～200℃/min、感应加热炉的升温速率为100～500℃/min，激光烧结炉的升温速率为300～800℃/min。
一种碳化硅复合材料和高温合金连接件，所述碳化硅复合材料和高温合金连接件是由所述的方法制备得到。所述碳化硅复合材料-高温合金连接件的连接层厚度为10～100μm，连接件在室温下的剪切强度为155～215MPa，在1200～1300℃高温下的剪切强度为105～145MPa。
所述的碳化硅复合材料和高温合金连接件可应用在航天航空发动机、火箭舱燃烧室、军工或核能部件领域中的应用。
本发明将高温合金进行激光刻蚀，得到具有复杂表面纹理的高温合金，增大连接面接触面积，并通过NITE相将高温合金与碳化硅复合材料实现连接。一方面激光刻蚀表面处理增加了高温合金的表面粗糙度，提高了NITE相的润湿性还增加了界面处的接触面积；另一方面NITE相作为连接层，降低了连接的残余应力，有效提高了碳化硅复合材料-高温合金连接件的连接强度和工作温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过NITE相实现经激光刻蚀处理的钴基、铁基或镍基高温合金与SiC/SiC、SiCf/SiC、C/SiC或Cf/SiC碳化硅复合材料的连接，增大了接触面积，使用NITE相作为连接层材料，降低了接头的残余应力。
2.本发明的碳化硅复合材料和高温合金的连接件具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化和高强度等优良性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.将Inconel718镍基高温合金的连接表面置于脉冲SPI20W光纤激光器下，设置脉冲能量为0.60mj，脉冲次数为10次，激光扫描速度为30mm/s，得到六方形表面纹理的Inconel718镍基高温合金。
2.将SiC(纯度为99％，粒径为100nm)、Yb2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)、Al2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)按照70wt％:15wt％:15wt％的质量百分比称量，将粉体的总量、无水乙醇、Si3N4磨球按质量比为1:3:10进行混合后球磨、干燥，得到SiC-Yb2O3-Al2O3粉体(简写为NITE相粉体)。
3.将质量比为1:5的NITE相粉体和纯水通过超声混合10min后得到连接浆料，将连接浆料喷涂于Cf/SiC连接表面和Inconel718镍基高温合金的纹理表面，叠放形成碳化硅复合材料-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件。
4.将预制连接件放置于放电等离子烧结设备中，在流动氩气中以100℃/min的速率升温至1650℃，加压30MPa，保温10min，制得Cf/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件。
本实施例的Cf/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件在室温下的剪切强度为186MPa，在1300℃时的剪切强度为123MPa，Cf/SiC-Inconel718镍基高温合金接头经400℃/20MPa/72h的水热腐蚀后的失重率为4mg/dm2，具有良好的抗水热腐蚀性能，该Cf/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件可广泛用于涡轮叶片、航天航空、军工或核能领域中。
实施例2
1.将Inconel718镍基高温合金的连接表面置于脉冲SPI20W光纤激光器下，设置脉冲能量为0.20mj，脉冲次数为15次，激光扫描速度为30mm/s，得到六方形表面纹理的Inconel718镍基高温合金。
2.将SiC(纯度为99％，粒径为100nm)、Yb2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)、Al2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)按照80wt％:10wt％:10wt％的质量百分比，将粉体的总量、无水乙醇、Si3N4磨球按照质量比为1:3:10进行混合球磨、干燥，得到SiC-Yb2O3-Al2O3粉体(简写为NITE相粉体)。
3.将质量比为1:5的NITE相粉体和纯水通过超声混合10min后得到连接浆料，将连接浆料喷涂于SiC/SiC连接表面和Inconel718镍基高温合金的纹理表面，叠放形成SiC/SiC-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件，
4.将预制连接件放置于放电等离子烧结设备中，在流动氩气中以100℃/min的速率升温至1450℃，加压30MPa，保温10min，制得SiC/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件。
本实施例的SiC/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件在室温下的剪切强度为157MPa，在1300℃时的剪切强度为105MPa，该SiC/SiC-Inconel718镍基高温合金连接件可广泛用于涡轮叶片、航天航空、军工或核能领域中。
实施例3
1.将GH5188钴基高温合金置于脉冲SPI20W光纤激光器下，设置脉冲能量为0.30mj，脉冲次数为15次，激光扫描速度为50mm/s，得到螺旋状表面纹理的钴基高温合金。
2.将SiC(纯度为99％，粒径为100nm)、Ho2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)、Al2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)按照75wt％:10wt％:15wt％的质量比称量，将粉体的总量、无水乙醇、Si3N4磨球按照质量比为1:3:10进行混合球磨、干燥，得到SiC-Ho2O3-Al2O3粉体(NITE相粉体)。
3.将质量比为1:5的NITE相粉体和纯水通过超声混合10min后得到连接浆料，将连接浆料喷涂于SiC/SiC连接表面和GH5188钴基高温合金的纹理表面，叠放形成SiC/SiC-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件，
4.将预制连接件放置于感应烧结炉中，在流动氩气中以100℃/min的速率升温至1500℃，加压10MPa，保温10min，制得SiC/SiC-GH5188钴基高温合金连接件。
本实施例的SiC/SiC-GH5188钴基高温合金连接件在室温下的剪切强度为164MPa，在1300℃时的剪切强度为108MPa，在800℃空气氧化10h的重量变化低于0.8％，该连接件具有很好的耐腐蚀性能，该SiC/SiC-GH5188钴基高温合金连接件可广泛用于涡轮叶片、航天航空、军工或核能领域中。
实施例4
1.将K14铁基高温合金置于脉冲SPI20W光纤激光器下，设置脉冲能量为0.55mj，脉冲次数为15次，激光扫描速度为100mm/s，得到六方形表面纹理的K14铁基高温合金。
2.将SiC(纯度为99％，粒径为100nm)、Y2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)、Al2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)按照70wt％:15wt％:15wt％的质量比称量，将粉体的总量、无水乙醇、Si3N4磨球按质量比为1:3:10进行混合球磨、干燥，得到SiC-Y2O3-Al2O3粉体(NITE相粉体)。
3.将质量比为1:5的NITE相粉体和纯水通过超声混合10min后得到连接浆料，将连接浆料喷涂于C/SiC连接表面和K14铁基高温合金的纹理表面，叠放形成C/SiC-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件，
4.将预制连接件放置于放电等离子烧结设备中，在流动氩气中以100℃/min的速率升温至1600℃，加压30MPa，保温10min，制得C/SiC-K14铁基高温合金连接件。
本实施例的C/SiC-K14铁基高温合金连接件在室温下的剪切强度为191MPa，在1300℃时的剪切强度为111MPa，该C/SiC-K14铁基高温合金连接件可广泛用于涡轮叶片、航天航空、军工或核能领域中。
实施例5
1.将GH5188钴基高温合金置于脉冲SPI20W光纤激光器下，设置脉冲能量为0.55mj，脉冲次数为15次，激光扫描速度为100mm/s，得到六方形表面纹理的GH5188钴基高温合金。
2.将SiC(纯度为99％，粒径为100nm)、Ce2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)、Al2O3(纯度为99％，粒径为0.1μm)按照85wt％:7.5wt％:7.5wt％的质量比称量，粉体的总量、无水乙醇、Si3N4磨球的质量比为1:3:10进行混合球磨、干燥，得到SiC-Ce2O3-Al2O3粉体(NITE相粉体)。
3.将质量比为1:5的NITE相粉体和无水乙醇通过超声混合10min后得到连接浆料，将连接浆料喷涂于SiCf/SiC连接表面和GH5188钴基高温合金的纹理表面，叠放形成SiCf/SiC-NITE相-GH5188钴基高温合金结构，得到预制连接件，
4.将预制连接件放置于放电等离子烧结设备中，在流动氩气中以100℃/min的速率升温至1550℃，加压30MPa，保温10min。制得SiCf/SiC-钴基高温合金连接件。
本实施例的SiCf/SiC-GH5188钴基高温合金连接件在室温下的剪切强度为164MPa，在1300℃时的剪切强度为106MPa，该SiCf/SiC-GH5188钴基高温合金连接件可广泛用于涡轮叶片、航天航空、军工或核能领域中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.使用脉冲光纤激光器在高温合金的连接表面刻蚀出具有表面纹理的高温合金；
S2.将纳米SiC粉体、烧结助剂Al2O3-Re2O3、溶剂和球磨介质混合后经球磨、干燥，得到NITE相粉体；
S3.将NITE相粉体和溶剂通过超声混合，得到连接浆料，将浆料涂覆于碳化硅复合材料的连接表面和高温合金的纹理表面，叠放形成碳化硅复合材料-NITE相-高温合金结构，得到预制连接件；
S4.将预制连接件置于惰性气氛中，在1450～1650℃、5～30MPa条件下保温10～30min进行连接，制得碳化硅复合材料和高温合金的连接件。
2.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S1中所述的脉冲光纤激光器设置的参数是脉冲能量为0.15～0.60mj，脉冲次数为5～15次，激光扫描速度为30～100mm/s；所述高温合金为GH5188钴基高温合金、K14铁基高温合金或Inconel718镍基高温合金。
3.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S2中所述的纳米碳化硅的粒径为20～100nm，纯度99％以上，所述的Re2O3为Yb2O3、Y2O3或Ho2O3，Al2O3和Re2O3粉的纯度均为95％以上，粒径均为0.1～10μm。
4.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S2中所述的SiC、Al2O3、Re2O3的质量比为(70～85):(7.5～15)：(7.5～15)，所述的磨球介质为SiC、Si3N4或ZrO2，所述的溶剂为无水乙醇或丙酮，所述的SiC、Al2O3和Re2O3粉体的总量、溶剂和磨球的质量比为1:(2.5～5):(5～20)。
5.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S2中所述的溶剂为纯水或无水乙醇，所述的NITE相粉体和溶剂的质量比为1:(4～10)。
6.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S3中所述的碳化硅复合材料为SiC/SiC、SiCf/SiC、C/SiC或Cf/SiC。
7.根据权利要求1所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，步骤S4中所述的连接的方式为放电等离子烧结、感应加热或激光烧结；所述惰性气氛为流动的氮气或氩气。
8.根据权利要求7所述的碳化硅复合材料和高温合金的连接方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的升温速率为100～200℃/min、感应加热的升温速率为100～500℃/min，激光烧结的升温速率为300～800℃/min。
9.一种碳化硅复合材料和高温合金的连接件，其特征在于，所述连接件是由权利要求1-8任一项所述的方法制备得到；所述碳化硅复合材料和高温合金连接件的连接层厚度为10～100μm，所述碳化硅复合材料和高温合金的连接件在室温下的剪切强度为155～215MPa，在1200～1300℃高温下的剪切强度为105～145MPa。
10.权利要求9所述的碳化硅复合材料和高温合金连接件在航天航空发动机、火箭舱燃烧室、军工或核能部件领域中的应用。
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