CN116652310A - 一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法 - Google Patents

一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，属于陶瓷及陶瓷基复合材料连接技术领域。所述方法采用含少量Ti的Nb‑Ti难熔合金丝作为连接材料，在惰性气体保护条件下，激光束快速熔化Nb‑Ti合金焊丝并加热Cf/SiC母材，局部形成的高活性Nb‑Ti合金液相润湿Cf/SiC复合材料并发生界面反应，进而实现连接。由于是通过柔性较高的激光焊接方式进行加热，而且最终形成的Nb基金属接头具有较高的耐热温度，因此所述连接方法可以实现大尺寸Cf/SiC复合材料构件的耐高温连接。

Description

一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法
技术领域
本发明属于陶瓷及陶瓷基复合材料的连接技术领域，特别是提供一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，该方法以含有少量活性元素的难熔金属丝为填充材料，以激光为热源，可以在开放式环境下实现大尺寸Cf/SiC复合材料构件的耐高温连接。
背景技术
随着未来可重复使用航天器、高超音速飞行器等飞行速度的不断提升，服役环境趋于恶劣，飞行器的热防护问题已成为制约其发展的瓶颈问题之一。碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC复合材料)具有低密度、耐高温、抗热震、高温下高强度等优异性能，是制造飞行器热防护系统和热结构的理想材料，在新一代战略导弹和航天器上具有重要的应用价值。采用Cf/SiC复合材料制造全陶瓷体襟翼或尾翼，可大幅提升飞行器的防热和抗热震性能、减少结构自重、提高飞行器的有效载荷和安全可靠性，是国内外热防护技术的主要发展方向。
然而，Cf/SiC复合材料的延展性和冲击韧性较低，且可加工性能差，应用中通常需要通过连接来制造大尺寸或复杂形状的构件。无论是作为襟翼还是尾翼，Cf/SiC复合材料在飞行器热防护结构中的应用都迫切需要解决其本体板材的连接问题。该类连接问题难度大、对接头性能尤其是耐高温性能的要求高(耐温要求往往在1500℃以上)。随着Cf/SiC复合材料制备工艺和性能的不断成熟，研发Cf/SiC复合材料本体板材的耐高温连接技术已成为我国先进航空航天飞行器热防护系统研制领域的重要课题。
近年来，关于Cf/SiC复合材料的连接国内外已有一些研究报道。从现有研究来看，目前能够实现Cf/SiC复合材料本体连接的方法主要有热压反应连接、扩散焊和真空钎焊。热压反应连接和扩散焊虽然可以实现Cf/SiC复合材料的连接，但工艺设备复杂，连接过程中需要对被连接材料施加较大压力，因此结构适应性差，很难实现实际大尺寸或复杂结构件的连接。相比之下，真空钎焊工艺简单、无需压力、结构适应性强，是目前Cf/SiC复合材料连接最常用的连接方法。但是，传统真空钎焊需要对连接件进行整体加热，效率低、柔性差、能源浪费大，而且连接件的尺寸大小受加热设备的限制，应用上存在很多局限性；更重要的是，真空钎焊接头的耐温能力较差，难以满足Cf/SiC复合材料连接的实际应用要求。研究表明，采用比较成熟的Ag-Cu-Ti钎料对Cf/SiC复合材料进行真空钎焊，其接头耐温不超过800℃[XiongJH,et al.Mat.Sci.Eng.A.,527(2010)1096-1101]；即使开发采用高熔点的Cu-Pd-V[XiongHP,et al.Ceram.Int.,40(2014)7857-7863]、Pd-Co-V[XiongHP,etal.Weld.World,56(1-2)(2016)76-80]等合金钎料或Y2O3-Al2O3-SiO2[Sun L B,etal.Ceram.Int.,47(2021)15622-15630]玻璃钎料，其接头耐温最高也不超过1250℃。
综上所述，“连接件尺寸受限”和“接头耐温能力不足”是实际应用中Cf/SiC复合材料本体连接亟待解决的关键难题。激光焊接(连接)方法具有效率高、能量密度大、作用位置精确可控等优势，与传统真空钎焊、扩散焊及反应连接方法相比，其高度的柔性化焊接特性更适合于板类大尺寸结构件的工业化制造；另外，激光焊接的局部高温加热便于获得高耐温的连接接头。如果能够实现Cf/SiC复合材料的激光焊接，即研发一种可以在开放式环境下实现大尺寸Cf/SiC复合材料板材耐高温连接方法，对我国新一代高速飞行器热防护技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是要克服目前Cf/SiC复合材料连接中存在的“连接件尺寸受限”和“接头耐温能力不足”的问题，本发明提出一种以含有少量活性元素的难熔金属丝为填充材料，以激光为热源，可以在开放式环境下实现大尺寸Cf/SiC复合材料构件耐高温连接的方法。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，采用Nb-Ti合金焊丝作为连接材料，在惰性气体保护条件下，激光束快速熔化Nb-Ti合金焊丝并加热Cf/SiC母材，局部形成的高活性Nb-Ti合金液相润湿Cf/SiC复合材料并发生界面反应，进而实现连接。所述连接方法是通过柔性较高的激光焊接方式进行加热，且最终形成的Nb基金属接头具有较高的耐热温度，因此可以实现大尺寸Cf/SiC复合材料构件的耐高温连接。
进一步地，所述连接材料为含有少量活性元素Ti的Nb-Ti合金焊丝，其中：Ti起活化作用，以实现对Cf/SiC复合材料的润湿和连接；Nb的熔点高、塑性好且线膨胀系数较低，以Nb为基既能保证接头的高耐热温度，又能减小连接材料与Cf/SiC复合材料之间的热失配，降低连接热应力。Nb-Ti合金焊丝中Ti元素的含量为0at.％～50at.％，优选1at.％～10at.％，焊丝的直径为1.0～2.0mm。Nb-Ti合金焊丝的熔点高达1900℃～2469℃。
如上所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，具体工艺过程包括以下步骤：
步骤1，准备待焊母材：对Cf/SiC复合材料的待焊面进行打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入干燥箱中烘干备用；
步骤2，准备合金焊丝：对合金焊丝表面进行打磨，以去除表面油脂和氧化膜；之后用无水乙醇液进行超声波清洗；清洗后放入干燥箱中烘干备用；
步骤3，装配焊件：Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接由光纤激光焊接系统和自动控制工作台完成。将激光焊枪、自动送丝装置和气保护装置固定在龙门架上，工件固定在可移动工作台上，工作台的移动方向和移动速度由电脑端软件控制。焊接过程中通高纯氩气保护；
步骤4，激光填丝焊接：通过调整工艺参数实现Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接。
优选地，步骤1中，将Cf/SiC复合材料的待焊面用240～400目砂纸打磨。
优选地，步骤2中，使用150-240目砂纸对合金焊丝表面进行打磨，之后用无水乙醇液进行超声波清洗10～15min。
优选地，步骤1和步骤2中，烘干温度为40～60℃，烘干时间为10～30min。
优选地，步骤3中，焊接过程中高纯氩气的流量为5～10L/min。
优选地，步骤4中，焊接工艺参数为：激光功率400～1000W，焊接速度0.5～3.0mm/s，离焦量-1～1mm，焊接间隙0～2mm。
本发明的优点在于：
1)通过柔性较高的激光焊接方式进行加热，可以在开放式环境下实现Cf/SiC复合材料的可靠连接，焊件尺寸不受限。
2)采用含少量Ti的Nb-Ti难熔合金丝作为连接材料，最终形成的Nb基金属接头具有较高的耐热温度，理论耐温在2300℃以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明Cf/SiC复合材料激光填丝焊接工艺原理示意图，其中图1(a)为整体焊接结构，图1(b)为连接原理；
图2是本发明Cf/SiC复合材料激光填丝焊接接头的宏观形貌及微观组织，其中图2(a)为接头(焊缝)正面成形形貌，图2(b)为接头(焊缝)背面成形形貌，图2(c)为接头剖面整体结构图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
实施例1
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为3at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，准备待焊母材。将Cf/SiC复合材料的待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2次；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤2，准备连接材料。使用150-240目砂纸对连接材料表面进行打磨，以去除表面油脂和氧化膜；之后用无水乙醇液进行超声波清洗10min；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤3，装配焊件。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接由光纤激光焊接系统和自动控制工作台完成。将激光焊枪、自动送丝装置和气保护装置固定在龙门架上，工件固定在可移动工作台上，工作台的移动方向和移动速度由电脑端软件控制。焊接工艺原理示意图如图1(a)和图1(b)所示，激光焊枪和焊丝在焊接过程中沿焊缝移动，在激光高温作用下，局部形成的高活性Nb-Ti合金液相润湿Cf/SiC复合材料并发生界面反应。焊接过程中通高纯氩气保护，氩气流量为10L/min。
步骤4，激光填丝焊接。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接工艺示意图如图1所示，工艺参数为：激光功率700W，焊接速度3.0mm/s，离焦量0mm，焊接间隙1mm。
先将步骤4得到的连接接头进行宏观形貌分析，如图2(a)和图2(b)所示，连接材料完全进入焊缝之中；然后将接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，如图2(c)所示，即该方法实现了Cf/SiC复合材料的激光焊接，接头成形及界面结合良好。采用X射线衍射和能谱分析鉴定物相成分；将步骤4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为40±5MPa。所得接头连接层的起始液化温度为2422℃。
实施例2
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为3at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，准备待焊母材。将Cf/SiC复合材料的待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2次；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤2，准备连接材料。使用150-240目砂纸对连接材料表面进行打磨，以去除表面油脂和氧化膜；之后用无水乙醇液进行超声波清洗10min；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤3，装配焊件。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接由光纤激光焊接系统和自动控制工作台完成。将激光焊枪、自动送丝装置和气保护装置固定在龙门架上，工件固定在可移动工作台上，工作台的移动方向和移动速度由电脑端软件控制。焊接过程中通高纯氩气保护，氩气流量为10L/min。
步骤4，激光填丝焊接。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接工艺示意图如图1所示，工艺参数为：激光功率800W，焊接速度3.0mm/s，离焦量0mm，焊接间隙1mm。
先将步骤4得到的连接接头进行宏观形貌分析；然后将接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，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4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为36±5MPa。所得接头连接层的起始液化温度为2422℃。
实施例3
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为3at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的具体过程包括以下步骤：
步骤1，准备待焊母材。将Cf/SiC复合材料的待焊面用240～400目砂纸打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2次；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤2，准备连接材料。使用150-240目砂纸对连接材料表面进行打磨，以去除表面油脂和氧化膜；之后用无水乙醇液进行超声波清洗10min；清洗后放入干燥箱中烘干备用，烘干温度为40℃，烘干时间为15min。
步骤3，装配焊件。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接由光纤激光焊接系统和自动控制工作台完成。将激光焊枪、自动送丝装置和气保护装置固定在龙门架上，工件固定在可移动工作台上，工作台的移动方向和移动速度由电脑端软件控制。焊接过程中通高纯氩气保护，氩气流量为10L/min。
步骤4，激光填丝焊接。Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接工艺示意图如图1所示，工艺参数为：激光功率1000W，焊接速度3.0mm/s，离焦量0mm，焊接间隙1mm。
先将步骤4得到的连接接头进行宏观形貌分析；然后将接头沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，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4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为31±5MPa。所得接头连接层的起始液化温度为2422℃。
实施例4
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为0at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法具体过程同实施例1。将步骤4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为25±5MPa。所得接头连接层的起始液化温度为2461℃。
实施例5
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为10at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法具体过程同实施例1。将步骤4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为35±4MPa。所得接头连接层的起始液化温度为2319℃。
实施例6
本实施例是一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法。
所涉及的Cf/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75mm×15mm×4mm的板材。所涉及的连接材料为Nb-Ti合金焊丝(其中Ti含量为50at.％)，丝的直径为1.5mm。
本实施例的Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法具体过程同实施例1。将步骤4得到的自合金化连接接头放入专用夹具，在电子万能试验机上进行四点抗弯强度测试，测得接头四点抗弯强度为41±2MPa。所得接头连接层的起始液化温度为1916℃。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，采用Nb-Ti合金焊丝作为连接材料，在惰性气体保护条件下，激光束快速熔化Nb-Ti合金焊丝并加热Cf/SiC母材，局部形成的高活性Nb-Ti合金液相润湿Cf/SiC复合材料并发生界面反应，进而实现连接。
2.根据权利要求1所述的Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，所述Nb-Ti合金焊丝中Ti元素的含量为0at.％～50at.％，优选1at.％～10at.％，焊丝的直径为1.0～2.0mm。
3.根据权利要求1或2所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，具体工艺过程包括以下步骤：
步骤1，准备待焊母材：对Cf/SiC复合材料的待焊面进行打磨，去除表面杂物及氧化膜；将打磨好的复合材料放入酒精中，用超声波清洗机反复清洗2～3次；清洗后放入干燥箱中烘干备用；
步骤2，准备合金焊丝：对合金焊丝表面进行打磨，以去除表面油脂和氧化膜；之后用无水乙醇液进行超声波清洗；清洗后放入干燥箱中烘干备用；
步骤3，装配焊件：Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接由光纤激光焊接系统和自动控制工作台完成，将激光焊枪、自动送丝装置和气保护装置固定在龙门架上，工件固定在可移动工作台上，工作台的移动方向和移动速度由电脑端软件控制，焊接过程中通高纯氩气保护；
步骤4，激光填丝焊接：通过调整工艺参数实现Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接。
4.根据权利要求3所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤1中，将Cf/SiC复合材料的待焊面用240～400目砂纸打磨。
5.根据权利要求3所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤2中，使用150-240目砂纸对合金焊丝表面进行打磨，之后用无水乙醇液进行超声波清洗10～15min。
6.根据权利要求3所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤1和步骤2中，烘干温度为40～60℃，烘干时间为10～30min。
7.根据权利要求3所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤3中，焊接过程中高纯氩气的流量为5～10L/min。
8.根据权利要求3所述Cf/SiC复合材料的激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤4中，焊接工艺参数为：激光功率400～1000W，焊接速度0.5～3.0mm/s，离焦量-1～1mm，焊接间隙0～2mm。
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