用Ag-Cu-Ti-SiC复合钎焊CfSiC陶瓷基复合材料与钛合金

用Ag、Cu、Ti粉及SiC粉组成的混合粉末钎料,真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料与钛合金,形成增强相为Ti3(Si,Cu)Cx(x≤2)化合物、Ti-Si化合物、残余SiC颗粒的复合化连接层。研究结果表明在Ag-Cu-Ti 粉末钎料中加入10-20 vol.% SiC粉末,在适当工艺下连接,能使接头的室温强度和

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f/SiC陶瓷基复合

材料与钛合金

林国标 黄继华

北京科技大学材料科学与工程学院，北京（100083）

E-mail：linguobiao@http://doc.guandang.net

摘 要：用Ag、Cu、Ti粉及SiC粉组成的混合粉末钎料，真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料与钛合金，形成增强相为Ti3(Si,Cu)Cx（x≤2）化合物、Ti-Si化合物、残余SiC颗粒的复合化连接层。研究结果表明在Ag-Cu-Ti 粉末钎料中加入10-20 vol.% SiC粉末，在适当工艺下连接，能使接头的室温强度和高温强度显著提高。

关键词：Cf/SiC、钛合金、连接、复合钎焊

中图分类号：TG407 文献标识码：A

1、前言

碳化硅陶瓷材料不仅具有很高的化学稳定性, 在2500°C条件下不熔化, 在1000°C～1650°C范围内抗氧化性能优越, 耐各种酸碱的腐蚀, 而且具有良好的力学性能, 尤其具有优异的高温性能(高温强度、抗蠕变性能等)，而广泛应用于石油 化工、钢铁、原子能等领域。但由于SiC分子结构的键合特点，缺乏塑性变形能力，表现为脆性，严重影响了其作为结构材料的应用。碳纤维拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过 2000℃仍能保持其力学性能不降低且热膨胀系数与碳化硅相近，用碳纤维增强 SiC 陶瓷基复合材料(Cf/SiC)在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既增强了材料的强度和韧性，又保持了 SiC 陶瓷良好的高温性能，是获得高性能高温结构陶瓷的极好方法。因此碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)在保持SiC陶瓷优势的基础上, 较SiC陶瓷具有更好的强韧性, 是制造燃烧器部件、涡轮叶片、火箭喷嘴和航天飞机防热结构等的理想材料,在新一代战略导弹和火箭发动机上具有重要的应用价值。

但是与其它陶瓷材料一样, 碳纤维增强 SiC 陶瓷基复合材料(Cf/SiC)也存在延性和冲击韧性低、加工性能差、制造大尺寸或复杂形状零件比较困难等缺点, 通常需要与金属材料组成复杂结构来应用或通过陶瓷间的连接来实现复杂零件的制造。随着我国高性能火箭及武器系统发动机Cf/SiC复合材料推力室的研制, 研究Cf/SiC复合材料与金属材料特别是钛合金的连接尤其具有重要的意义。

目前，关于Cf/SiC复合材料的连接国内外研究还非常少。但对于SiC陶瓷与SiC陶瓷连接，SiC陶瓷与金属连接国内外均有一些研究。其中陶瓷与金属连接的主要方法有扩散焊和钎焊。扩散焊需要焊接件、中间层表面光滑平整，需要较高的焊接压力，对连接表面的加工和连接设备要求高；比较而言，钎焊对表面加工精度要求较低，可在无压或小压力下进行焊接，接头形状尺寸适应性广，工艺成本相对较低等优点，因此，具备更大的应用范围和发展前景。

用Ag、Cu、Ti粉及SiC粉组成的混合粉末钎料,真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料与钛合金,形成增强相为Ti3(Si,Cu)Cx(x≤2)化合物、Ti-Si化合物、残余SiC颗粒的复合化连接层。研究结果表明在Ag-Cu-Ti 粉末钎料中加入10-20 vol.% SiC粉末,在适当工艺下连接,能使接头的室温强度和

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[1]、SiC陶瓷与TiAl合金的连接[2]。钎料对陶瓷的连接需要

解决润湿性问题，而Ag-Cu-Ti活性钎料对大部分陶瓷和金属均有很好的润湿性和连接性。对于碳纤维增强 SiC 陶瓷基复合材料(Cf/SiC)和钛合金的连接，为不致使钛合金在焊接过程中发生组织性能的变化，一般焊接温度不高于950°C，使用Ag-Cu-Ti钎料从钎焊温度考虑也是比较合适。但是Ag-Cu-Ti钎料的高温性能较差，不能有效缓解由于两种焊接母材 陶瓷和金属热膨胀系数相差悬殊产生的巨大的接头热应力[3]。再加上被连接材料(母材)和接头耐高温性能要求的差异，现有的SiC陶瓷连接技术很难满足Cf/SiC复合材料与钛合金耐高温连接的要求。为此，我们一直探索用复合钎焊办法真空钎焊连接Cf/SiC复合材料与钛合金，即通过在金属连接层中引入低膨胀系数的增强相，降低连接层的热膨胀系数，缓解连接层或金属母材与陶瓷母材之间的热膨胀失配，提高接头强度。同时籍具有良好高温性能增强相的复合化提高接头的高温性能。近些年来，在其它母材的钎焊连接中也有一些类似的研究报道，如在质量比为63Ag-34Cu-2Ti-1Sn活性钎料中加入适量的碳短纤维用来连接氧化铝陶瓷和不锈钢[4]、在Ag-Cu-3wt%Ti活性钎料中加入15vol.%Al2O3粉末连接Al2O3陶瓷[5]，接头热应力均获得了降低，室温强度获得了提高。

我们对多种增强相系统地研究发现，钎焊接头复合化的效果与增强相的种类、增强相的含量、焊接工艺（焊接温度、焊接时间）、焊接母材关系很大。本文研究以Ag-Cu-Ti粉末作为基础钎料，加入SiC粉末，对Cf/SiC陶瓷和钛合金进行复合钎焊，以解决Cf/SiC复合材料与钛合金连接困难并使接头具有较高的高温强度。

2、试验方法

焊接母材为3D－Cf/SiC（“3D－Cf”代表“三维碳纤维强化”）陶瓷基复合材料与TC4钛合金。Cf/SiC陶瓷基复合材料为2.0-2.1g/cm3，气孔率为10-15%，纤维束为3K，纤维体积占45-50%，室温抗弯强度约400MPa，切割成6×5×4mm的方块。钛合金为φ15的棒状，切割成5mm厚的圆柱体。将钛合金、复合材料的焊接面经适当研磨，并用丙酮清洗干净，放入温度设定为50-80°C的干燥箱中烘干备用。焊接原料为：Ag粉粒度—200目、Cu粉—250目、Ti粉—300目，SiC粉平均粒度约2μm，纯度均大于99.9%。按成分67.6wt%Ag-26.4wt%Cu-6wt%Ti称取Ag、Cu、Ti粉，根据每种组份的密度换算加入一定量体积百分比的SiC粉。加分散剂、粘接剂，将Ag、Cu、Ti、SiC粉混合均匀，将呈膏状的钎料涂在复合材料与钛合金之间，控制好预置间隙。实验是在真空条件下完成的，真空度高于6×10-3Pa，温度为900-950°C，保温时间为5-30min，升温速率10°C/min，降温速率～3°C/min。

用扫描电镜能谱对连接层、反应界面进行了观察分析。将形成接头一侧的SiC陶瓷母材完全剥离并磨至连接层的中心部位，用X-射线衍射对连接层进行物相分析。接头的室温和高温剪切强度实验是在电子万能实验机上进行的，加载速率为0.5mm/min。每个实验数据点至少测三个样品，取其平均值。

3、试验结果与讨论

用Ag、Cu、Ti粉及SiC粉组成的混合粉末钎料,真空钎焊Cf/SiC陶瓷基复合材料与钛合金,形成增强相为Ti3(Si,Cu)Cx(x≤2)化合物、Ti-Si化合物、残余SiC颗粒的复合化连接层。研究结果表明在Ag-Cu-Ti 粉末钎料中加入10-20 vol.% SiC粉末,在适当工艺下连接,能使接头的室温强度和

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3(Si,Cu)Cx（x≤2）化合物，白色为Ag相，灰色为Cu-Ti相，Cu-Ti相中深色的颗粒为Ti-Si化合物。如SiC颗粒比较大，或加入的SiC比较多，则有SiC剩余，其周围有一层Ti-Si-C反应物[6]。Ti3(Si,Cu)Cx化合物、Ti-Si化合物、残余的SiC颗粒具有低热膨胀系数、高的高温强度, 形成了接头连接层中的增强相，使得接头连接层复合化，形成了复合接头。由图1（b）可见，Ti3(Si,Cu)Cx、Ti-Si增强相与连接层基体连接良好、分布均匀。

图2为不同的连接工艺下，(Ag-Cu-Ti)-SiC复合钎焊接头的室温剪切强度平均值与SiC的体积百分比之间 …… 此处隐藏：6962字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……