CN116143539B - 一种碳化硅复合材料/高温合金的连接件及其连接方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷与合金连接技术领域，公开了一种碳化硅复合材料/高温合金的连接件及其连接方法与应用。该方法是以高熵合金粉体作为连接材料，将连接材料置于碳化硅复合材料和高温合金的连接表面制得预制连接件，将预制连接件在惰性气氛或真空环境中升温至1300～1600℃、压力为1～10MPa下进行连接，得到碳化硅复合材料和高温合金的连接件。该连接件中连接层的厚度为5～20μm，在室温下的剪切强度为150～200MPa，在1200～1500℃下的剪切强度为70～150MPa。该连接件具有耐高温、抗氧化和耐腐蚀，可用于涡轮叶片、航空发动机或火箭推进室连接领域。
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/高温合金的连接件及其连接方法与应用。
背景技术
Cf/SiC、SiC/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、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。然而，高硬度和固有脆性使得碳化硅复合材料难以制造成为复杂构件，制约着使用。目前，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或者涡轮叶片方面。然而，与碳化硅复合材料比较，高温合金在极端环境下的工作强度会有所下降，而且会具有一定的氧化性，因此在极端环境下的高温合金可能会出现变形以及断裂，造成事故。因此，实现Cf/SiC、SiC/SiC等碳化硅复合材料与高温合金的可靠连接，有利于提高复合材料结构的工作温度，进一步扩大其在各种高温结构元件中的应用，对于促进航天工业和涡轮叶片产业的发展具有重要意义。因此，迫切需要开发一种连接方法可以实现碳化硅复合材料和高温合金的连接，提高复合材料结构的工作温度。将高温合金和碳化硅复合材料的优势耦合，得到一种具有复杂形状、耐高温、抗氧化和高强度的碳化硅复合材料-高温合金的连接件。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本发明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，该方法通过高熵合金可实现碳化硅复合材料与高温合金的连接。
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的连接件。该连接件具有复杂形状、耐高温、抗氧化和高强度。
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的连接件的应用。
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/高温合金的的连接件连接方法，包括如下具体步骤：
S1.将金属粉末为Nb、Cu、Fe、Ti、Ni、Co、Al、W、Mg中的五种以上混合，加入溶剂和球磨介质经混料，干燥后得到高熵合金连接粉体；
S2.将高熵合金连接粉体和溶剂经搅拌混合得到连接浆料，将连接浆料涂覆在碳化硅复合材料和高温合金的待连接表面，然后在惰性气氛或真空环境中，在1300～1600℃，压力为1～10MPa保温10～60min的条件下进行连接，制得碳化硅复合材料/高温合金的连接件。
优选地，步骤S1中所述金属粉末中各金属为等质量，所述金属粉末的纯度均为95～99.999％；所述金属粉末的粒径均为1～10μm。
优选地，步骤S1中所述的磨球介质为Al2O3、SiC、Si3N4或ZrO2，所述的溶剂为无水乙醇或丙酮，所述的金属粉末、溶剂和球磨介质的质量为1:(2～5):(10～20)。
优选地，步骤S2中所述的碳化硅复合材料为SiC-SiC、SiCf-SiC、C-SiC或Cf-SiC；所述的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金。
优选地，步骤S2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，所述的真空环境的真空度为10-3～10-5Pa。
更为优选地，所述放电等离子烧结的升温速率为50～200℃/min，所述感应加热的升温速率为100～500℃/min，所述激光烧结的升温速率为300～800℃/min。
一种碳化硅复合材料/高温合金的连接件，所述的连接件是由所述的方法制备得到。
优选地，所述连接件中连接层的厚度为5～20μm，在室温下的剪切强度为150～200MPa，在1200～1500℃下的剪切强度为70～150MPa。
所述的碳化硅复合材料/高温合金的连接件在涡轮叶片或航空航天发动机器件封装或火箭推进室连接领域中的应用。
本发明通过将金属粉体Nb、Cu、Fe、Ti、Ni、Co、Al、W、Mg中的五种以上的粉体按比例混合制成高熵合金粉体，并且将高熵合金粉体涂覆在碳化硅复合材料和高温合金的连接表面，放入加热设备中进行连接，得到碳化硅复合材料和高温合金的连接件。由于高熵合金具有抗氧化、耐磨性、耐高温以及高强度的特性。用高熵合金作为连接层，可提高工件的工作温度，并且高熵合金的γ相或者γ’相可在保证高强度的同时保持塑性，显著提高碳化硅复合材料-高温合金连接件的强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用高熵合金将碳化硅复合材料进行连接，高熵合金作为连接层，可提高工件的工作温度以及工作强度，所得连接件具有良好的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能。
2.本发明采用的高熵合金在高温下，其内部元素扩散缓慢，可保证连接层的稳定性。
附图说明
图1是本发明的碳化硅复合材料/高温合金的连接件的结构示意图。
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Ni(纯度为99％，粒径为5μm)、Ti(纯度为99％，粒径为5μm)、Cu(纯度为99％，粒径为5μm)、Co(纯度为99％，粒径为5μm)和Fe(纯度为99％，粒径为5μm)按照20wt％:20wt％:20wt％:20wt％:20wt％的质量百分比称量，按照上述粉体的总量、无水乙醇和SiC磨球的质量比为1:2.5:10进行球磨混合、干燥，得到连接粉体。
2.将质量比1:3的连接粉体和无水乙醇通过磁力搅拌混合5min得到连接浆料，将连接浆料喷覆于Cf-SiC待连接表面和镍基高温合金(牌号GH3007)待连接表面，将Cf-SiC和镍基高温合金的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1500℃，加压2MPa，保温10min，经放电等离子烧结，制得Cf-SiC/镍基高温合金GH3007的连接件。
本实施例制得的Cf-SiC/镍基高温合金GH3007的连接件在室温下的剪切强度为160MPa，在1300℃时的剪切强度为120MPa，在800℃空气氧化10h的重量变化低于0.5％。该连接件具有良好的高温强度和抗氧化性，可广泛于涡轮叶片、航空航天发动机、火箭推进舱等部件中。
实施例2
1.将Co(纯度为99％，粒径为5μm)、Ti(纯度为99％，粒径为5μm)、Cu(纯度为99％，粒径为5μm)、Ni(纯度为99％，粒径为5μm)和Fe(纯度为99％，粒径为5μm)按照20wt％:20wt％:20wt％:20wt％:20wt％的质量百分比称量，按照上述粉体的总量、无水乙醇和SiC磨球的质量比为1:2.5:10进行球磨混合、干燥，得到连接粉体。
2.将质量比1:3的连接粉体和无水乙醇通过磁力搅拌混合5min得到连接浆料，将连接浆料喷覆于C-SiC待连接表面和镍基高温合金(牌号GH3007)待连接表面，将C-SiC和镍基高温合金的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5MPa，保温10min，经等离子烧结，制得C-SiC/镍基高温合金的连接件。
本实施例制得的C-SiC/镍基高温合金的连接件在室温下的剪切强度为165MPa，在1300℃时的剪切强度为118MPa，在800℃空气氧化10h的重量变化低于0.6％。该连接件具有良好的高温强度和抗氧化性，可广泛于涡轮叶片、航空航天发动机、火箭推进舱等部件中。
实施例3
1.将Ti(纯度为99％，粒径为5μm)、Ni(纯度为99％，粒径为5μm)、Cu(纯度为99％，粒径为5μm)、Co(纯度为99％，粒径为5μm)和Al(纯度为99％，粒径为5μm)按照20wt％:20wt％:20wt％:20wt％:20wt％的质量百分比称量，按照上述粉体的总量、无水乙醇和SiC磨球的质量比为1:2.5:10进行球磨混合、干燥，得到连接粉体。
2.将质量比1:3的连接粉体和无水乙醇通过磁力搅拌混合5min得到连接浆料，将连接浆料喷覆于SiC-SiC待连接表面和镍基高温合金(牌号GH3007)待连接表面，将SiC-SiC和镍基高温合金的预制连接件放置于激光烧结炉中，在流动氩气中以500℃/min的速率升温至1500℃，加压3MPa，保温10min，经激光烧结制得SiC-SiC/镍基高温合金的连接件。
本实施例制得的SiC-SiC/镍基高温合金的连接件在室温下的剪切强度为155MPa，在1300℃时的剪切强度为125MPa。该SiC/SiC-镍基高温合金的连接件具有良好的高温强度，可广泛于涡轮叶片、航空航天发动机、火箭推进舱等部件中。
实施例4
1.将Ni(纯度为99％，粒径为5μm)、Co(纯度为99％，粒径为5μm)、Al(纯度为99％，粒径为5μm)、Cu(纯度为99％，粒径为5μm)和Fe(纯度为99％，粒径为5μm)按照2wt％:20wt％:20wt％:20wt％:20wt％的质量百分比称量，按照上述粉体的总量、无水乙醇和SiC磨球的质量比为1:2.5:10进行球磨混合、干燥，得到连接粉体。
2.将质量比1:3的连接粉体和无水乙醇通过磁力搅拌混合5min得到连接浆料，将连接浆料喷覆于Cf-SiC待连接表面和镍基高温合金(牌号GH3007)待连接表面，将Cf-SiC/镍基高温合金预制连接件放置于感应加热炉中，在真空度为10-5Pa中以300℃/min的速率升温至1500℃，加压10MPa，保温10min，经感应加热制得Cf-SiC/镍基高温合金的连接件。
本实施例制得的Cf-SiC/镍基高温合金的连接件在室温下的剪切强度为157MPa，在1300℃时的剪切强度为120MPa，经400℃/20MPa/72h的水热腐蚀后的失重率为6mg/dm2。该连接件具有良好的高温强度、抗氧化性和抗水热腐蚀性能，可广泛于涡轮叶片、航空航天发动机、火箭推进舱等部件中。
实施例5
1.将Co(纯度为99％，粒径为5μm)、Ni(纯度为99％，粒径为5μm)、Al(纯度为99％，粒径为5μm)、Cu(纯度为99％，粒径为5μm)和Ti(纯度为99％，粒径为5μm)按照20wt％:20wt％:20wt％:20wt％:20wt％的质量百分比称量，按照上述粉体的总量、无水乙醇和SiC磨球的质量比为1:2.5:10进行球磨混合、干燥，得到连接粉体。
2.将质量比1:3的连接粉体和无水乙醇通过磁力搅拌混合5min得到连接浆料，将连接浆料喷覆于Cf-SiC待连接表面和钴基高温合金(牌号GH5188)待连接表面，将Cf-SiC和钴基高温合金的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1300℃，加压5MPa，保温10min，经放电等离子烧结制得Cf-SiC/钴基高温合金的连接件。
本实施例制得的Cf-SiC/钴基高温合金的连接件在室温下的剪切强度为168MPa，在1300℃时的剪切强度为124MPa，在800℃空气氧化10h的重量变化低于0.7％，该Cf-SiC/钴基高温合金的连接件具有良好的高温强度、抗氧化性性能，可广泛于涡轮叶片、航空航天发动机、火箭推进舱等部件中。
图1是本发明的碳化硅复合材料和高温合金的连接件的结构示意图。从图1中可知，本发明的连接件是通过高熵合金实现碳化硅复合材料与高温合金的连接。该连接件中连接层的厚度为5～20μm，在室温下的剪切强度为150～200MPa，在1200～1500℃下的剪切强度为70～150MPa，具有复杂形状、耐高温、抗氧化和高强度，在涡轮叶片或航空航天发动机器件封装或火箭推进室连接领域中的应用。
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 (4)
1.一种碳化硅复合材料/高温合金的连接件的连接方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1. 将金属粉末为Nb、Cu、Fe、Ti、Ni、Co、Al、W、Mg中的五种以上混合，加入溶剂和球磨介质经混料，干燥后得到高熵合金连接粉体；所述金属粉末中各金属为等质量；所述金属粉末的纯度均为95~99.999%；所述金属粉末的粒径均为1~10µm；所述的球磨介质为Al2O3、SiC、Si3N4或ZrO2，所述的溶剂为无水乙醇或丙酮，所述的金属粉末、溶剂和球磨介质的质量为1:（2~5）:（10~20）；
S2. 将高熵合金连接粉体和溶剂经搅拌混合得到连接浆料，将连接浆料涂覆在碳化硅复合材料和高温合金的待连接表面，然后在惰性气氛中，在1300~1600℃，压力为1~10 MPa保温10~60 min的条件下进行连接，制得碳化硅复合材料/高温合金的连接件；所述的碳化硅复合材料为SiC-SiC、SiCf -SiC、C-SiC或Cf-SiC；所述的高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金或钴基高温合金；所述连接件中连接层的厚度为5~20 μm；所述的溶剂为纯水或无水乙醇，所述的连接粉体和溶剂的质量比为1:（3~6），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，所述放电等离子烧结的升温速率为50~200℃/min，所述感应加热的升温速率为100~500℃/min，所述激光烧结的升温速率为300~800℃/min。
2.一种碳化硅复合材料/高温合金的连接件，其特征在于，所述的连接件是由权利要求1所述的方法制备得到。
3.根据权利要求2所述的碳化硅复合材料/高温合金的连接件，其特征在于，在室温下的剪切强度为150~200 MPa，在1200~1500℃下的剪切强度为70~150 MPa。
4.权利要求2或3所述的碳化硅复合材料/高温合金的连接件在涡轮叶片或航空航天发动机器件封装或火箭推进室连接领域中的应用。
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