C-C復(fù)合材料與Nb釬焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、C/C復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕,且高溫性能優(yōu)異的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)其和Nb的可靠連接并應(yīng)用飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等結(jié)構(gòu)件具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性。低密度C/C(1.5g/cm3)可應(yīng)用于具有較大推重比要求的航天發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,而高密度C/C(2.0g/cm3)可以滿足航天發(fā)動(dòng)機(jī)在大功率長(zhǎng)時(shí)間的苛刻工作條件下的性能要求,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文使用TiNi釬料對(duì)低密度C/C和Nb進(jìn)行了連接,優(yōu)化了連接工藝,獲得了可靠的連接強(qiáng)度。針對(duì)高密度C/C與Nb焊后C/

2、C近焊縫區(qū)出現(xiàn)碎裂區(qū)域、強(qiáng)度低等問(wèn)題設(shè)計(jì)了3-D界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了接頭的力學(xué)性能。
　　采用Ti50:Ni50復(fù)合釬料箔對(duì)低密度C/C和Nb進(jìn)行了釬焊連接,接頭的界面結(jié)構(gòu)從復(fù)合材料側(cè)至Nb側(cè)可表示為:C/C復(fù)合材料/TiC+(Ti,Nb)C反應(yīng)層/(Ti,Nb)2Ni層/(Ti,Nb)2Ni顆粒+TiNi-(Nb,Ti)共晶/Nb。釬縫的力學(xué)性能受到釬縫組織的變化以及C/C側(cè)界面反應(yīng)層厚度的影響。當(dāng)釬焊溫度T=1200℃,t=20mi

3、n時(shí),接頭的抗剪強(qiáng)度最高達(dá)到44MPa,此時(shí)接頭在600℃時(shí)的高溫力學(xué)性能為36MPa,達(dá)到母材強(qiáng)度的90％。接頭的斷裂失效主要發(fā)生在TiC和(Ti,Nb)C界面反應(yīng)層和C/C復(fù)合材料近界面處。由于滲入釬料的作用,斷口呈現(xiàn)出凹凸不平的形貌。
　　高密度C/C與Nb焊后接頭在C/C近焊縫區(qū)出現(xiàn)碎裂,且接頭強(qiáng)度較低僅為17MPa。為實(shí)現(xiàn)其可靠連接,設(shè)計(jì)了3-D界面結(jié)構(gòu)處理工藝,即采用鉆孔、激光燒蝕孔洞、針扎以及激光燒蝕孔洞和針扎的復(fù)合

4、方法對(duì)高密度C/C待焊表面3-D界面處理后進(jìn)行釬焊連接。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)C/C與釬料3-D界面結(jié)構(gòu)可以顯著提高接頭的力學(xué)性能。激光燒蝕孔洞方法焊后3-D界面孔洞前端在激光束的燒蝕下較為疏松,釬料的滲入形成了良好的結(jié)合。而針扎時(shí)孔壁上存在著裸露C纖維,釬料滲入形成的“釘扎”效應(yīng)也可以得到較好的結(jié)合界面。復(fù)合3-D界面結(jié)構(gòu)制備方法綜合了上述兩者的優(yōu)點(diǎn),接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到了92MPa,為平直界面的440%,接頭斷裂發(fā)生在C/C母材近3-D界面處。接頭

5、在600℃時(shí)的高溫抗剪強(qiáng)度可以達(dá)到68MPa,接頭斷裂模式為沿著C/C母材近3-D界面處開(kāi)裂和孔洞中釬料被剪斷的混合模式。
　　探討了3-D界面結(jié)構(gòu)對(duì)接頭力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)理。采用理論計(jì)算的方法對(duì)3-D界面結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)域的接頭殘余應(yīng)力和平直界面進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn),采用復(fù)合方式對(duì)待焊表面進(jìn)行3-D界面處理后,焊后接頭過(guò)渡區(qū)域的殘余應(yīng)力相比于平直界面的殘余應(yīng)力值降低了20%。3-D界面過(guò)渡區(qū)域的作用為實(shí)現(xiàn)了接頭中熱膨脹系數(shù)和彈性模量的梯度過(guò)渡